-
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Systeme zur Energiespeicherung mittels komprimierter Luft, nachfolgend als CAES (”compressed air energy storage”)-Systeme bezeichnet.
-
Ein CAES-System kann z. B. vorteilhaft in Verbindung mit einer Windkraftanlage, einer Solarenergieanlage oder anderen diskontinuierlich Energie erzeugenden Anlagen eingesetzt werden, um momentan erzeugte, jedoch momentan nicht benötigte elektrische Energie für einen gewissen Zeitraum (z. B. bis zu einigen Stunden oder Tagen) zu speichern und bei Bedarf zurückzugewinnen. Ein typisches CAES-System umfasst:
- – einen Luftspeicher wie z. B. eine unterirdische natürliche Kaverne oder einen künstlichen Lufttank,
- – einen Kompressor zum Fördern von Luft, z. B. atmosphärischer Luft, in den Luftspeicher, und
- – eine aus dem Luftspeicher mit Druckluft versorgbare Turbine zur Energierückgewinnung.
-
Der Kompressor kann insbesondere als elektrisch betriebener Kompressor ausgebildet sein, und die Turbine kann insbesondere mit einem elektrischen Generator zur Erzeugung (Rückgewinnung) elektrischer Energie gekoppelt sein.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft im Besonderen eine für ein CAES-System dieser Art geeignete Turbine, umfassend ein Turbinengehäuse mit einem hochdruckseitigen Einlass und einem niederdruckseitigen Auslass für das Gehäuseinnere durchströmende und hierbei sich abkühlende Luft, und einen drehbar im Gehäuseinneren gelagerten, mit Laufschaufeln versehenen und von der Luft (dreh)angetriebenen Turbinenläufer.
-
In an sich bekannter Weise kann mittels der Turbine die innere Energie des Arbeitsmediums (hier: komprimierte Luft) in mechanische Drehenergie und mit Hilfe des elektrischen Generators weiter in elektrische Energie umgewandelt werden.
-
Die bei der Durchströmung des Innenraumes des Turbinengehäuses stattfindende Expansion der Luft führt zu einer Verringerung des Drucks und der Temperatur der Luft.
-
Im Vergleich zu einer herkömmlichen Dampfturbine kann die Temperatur der am hochdruckseitigen Einlass einer derartigen Turbine zugeführten Luft vergleichsweise niedrig sein, vor allem wenn keine oder keine besonders starke Vorerwärmung der Luft vor deren Eintreten in die Turbine vorgesehen ist.
-
Dies, und der Umstand, dass Luft (und nicht Dampf) in der Turbine entspannt wird, hat wiederum zur Folge, dass die Temperatur der Luft am Ende von deren Strömungsweg durch das Turbinengehäuse ebenfalls sehr niedrig ist, und bei einer aus Effizienzgründen angestrebten sehr weitgehenden Expansion der Luft, z. B. auf atmosphärischen Druck, typischerweise Werte von unterhalb 0°C, beispielsweise etwa –40°C erreicht.
-
Derart niedrige Endstufentemperaturen in der Turbine können jedoch eine Reihe von Problemen bereiten. Beispielsweise ergeben sich damit besondere Anforderungen an das Material von Komponenten in demjenigen Turbinenbereich, der in Kontakt mit der besonders stark abgekühlten Luft am Ende von deren Strömungsweg im Gehäuseinneren steht. Dies betrifft beispielsweise Gehäuseabschnitte und daran angeordnete Leitschaufeln im Endstufenbereich, wie auch nahe des Auslasses befindliche Abschnitte des Läufers und der daran angeordneten Laufschaufeln.
-
Zwar könnte diese Problematik durch eine starke Vorerwärmung der eingangsseitig zugeführten Luft und/oder durch Vorsehen einer nur unvollständigen Expansion der Luft in der Turbine abgemildert oder beseitigt werden.
-
So ist z. B. aus der
US 2010/0024445 A1 ein CAES-System umfassend einen Luftspeicher, einen Kompressor und eine mit Luft aus dem Luftspeicher versorgbare Turbine zur Energierückgewinnung bekannt, wobei zur Vermeidung der vorstehend erläuterten Problematik eine Vorerwärmung der in die Turbine einströmenden Luft vorgeschlagen wird.
-
Derartige Maßnahmen sind jedoch im Hinblick auf eine möglichst große Effizienz der Energieumsetzung zumeist ungünstig.
-
Es besteht daher Bedarf dafür, eine Turbine zur Energierückgewinnung in einem CAES-System bereitzustellen, bei welcher auch im Falle einer hohen Umwandlungseffizienz Probleme in Verbindung mit einer sehr niedrigen Temperatur im Endstufenbereich der Turbine vermieden werden können.
-
Eine dementsprechend vorteilhaft einsetzbare Turbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist als solche aus der
DE 43 35 598 A1 bekannt. Bei der bekannten gattungsgemäßen Turbine ist eine Heizeinrichtung zum Heizen eines Turbinenbereiches vorgesehen, der im Kontakt mit der Luft am Ende von deren Strömungsweg im Gehäuseinneren steht, wobei die Heizeinrichtung eine von Luft durchströmte und in den zu heizenden Turbinenbereich führende Umleitungspassage umfasst.
-
Die aus der
DE 43 35 598 A1 bekannte Turbine ist Teil eines ”Turbokühlaggregats” bestehend aus einem Luftkompressor, einem Luftkühler und der Turbine, wobei diesem Turbokühlaggregat ein Gasturbinensystem bestehend aus Kompressor, Brennkammer und Gasturbine nachgeordnet ist. Die Heizeinrichtung dient hierbei zur Verhinderung von so genanntem Fouling im Gasturbinensystem. Zur Versorgung der Umleitungspassage wird ein Heißluftstrom vor dem Luftkühler bzw. hinter dem Luftkompressor abgezweigt und über nicht näher beschriebene Zuführungskanäle in das Gehäuse der Turbine hinein und weiter durch das Innere von hohlen Leitschaufeln sowie durch das Innere von hohlen Laufschaufeln der Turbine geleitet.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Turbine der gattungsgemäßen Art eine vorteilhafte Ausgestaltung insbesondere für ein Heizen im Bereich des Turbinenläufers (und gegebenenfalls der daran angeordneten Laufschaufeln) anzugeben.
-
Die erfindungsgemäße Turbine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umleitungspassage mit Luft versorgt wird, welche über eine Abzweigungsöffnung am Umfang des Läufers aus der das Gehäuseinnere durchströmenden Luft abgezweigt wurde, wobei ein hohler Läuferabschnitt über wenigstens einen durch den Läufer verlaufenden Kanal mit der Abzweigungsöffnung verbunden ist, und wobei die Umleitungspassage mit einer Zumesseinrichtung versehen ist, um die Strömungsrate der über die Umleitungspassage strömenden Luft variieren zu können.
-
In einem CAES-System, welches eine derartige Turbine enthält, kann die zur Versorgung der Umleitungspassage benötigte Luft also vorteilhaft ebenfalls aus dem betreffenden Luftspeicher entnommen werden, wobei die Umleitungspassage mit Luft versorgt wird, welche über eine Abzweigung aus der das Gehäuseinnere durchströmenden Luft (”Hauptstrom”) abgezweigt wurde.
-
Die Abzweigung kann zusätzlich z. B. einen Abzweigungsauslass des Gehäuses umfassen, mittels welchem Luft aus einem eingangsseitigen oder einem mittleren Turbinenbereich abgezweigt wird. Wie bei einer herkömmlichen Dampfturbine kann auch die hier für ein CAES-System vorgesehene Turbine mehrere in einer Längsrichtung des Gehäuses hintereinander angeordnete Turbinenstufen aufweisen, wobei jede dieser Stufen eine Reihe von Laufschaufelkränzen (am Läufer) und eine Reihe von damit zusammenwirkenden Leitschaufelkränzen am Gehäuse besitzen kann. Bei der Durchströmung dieser Turbinenstufen entlang des Strömungsweges vermindern sich der Druck und die Temperatur der Luft immer weiter. Dementsprechend kann zum ”Heizen” des auslassseitigen Turbinenbereiches geeignete Luft anstatt aus einem Einlassbereich alternativ oder zusätzlich auch aus einem mittleren Turbinenbereich abgezweigt werden.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Massenströmungsrate der Luft in der Umleitungspassage weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, der Massenströmungsrate der Luft im Gehäuseinneren. In vielen Fällen ist hinsichtlich der Umwandlungseffizienz ein Wert von weniger als 5% für die Massenströmungsrate der Luft in der Umleitungspassage bevorzugt.
-
Die über die Umleitungspassage in den zu heizenden Turbinenbereich geführte Heizluft kann dort z. B. über wenigstens eine Heizluftöffnung der in diesem Bereich das Turbineninnere durchströmenden Luft (”Hauptstrom”) beigemischt werden. Alternativ oder zusätzlich kommt in Betracht, die in den zu heizenden Turbinenbereich geführte Heizluft wieder unmittelbar aus der Turbine herauszuleiten.
-
Falls die Heizluft aus dem zu heizenden Turbinenbereich in das Gehäuseinnere weitergeführt und der dort strömenden Luft beigemischt werden soll, so geschieht dies bevorzugt über eine größere Vielzahl von Heizluftöffnungen, über welche die Heizluft in den Luftstrom im Gehäuseinneren beigemischt wird.
-
Die Umleitungspassage kann z. B. (wenigstens) einen durch das Gehäuse verlaufenden Kanal umfassen, der als solcher oder in Verbindung mit wenigstens einem weiteren Kanal (z. B. außerhalb des Gehäuses) die Umleitungspassage ausbildet, die von einem Abzweigungsauslass am Gehäuse bis hin in den zu heizenden Turbinenbereich führt.
-
Gemäß der Erfindung umfasst die Umleitungspassage jedenfalls einen durch den Läufer verlaufenden Kanal, z. B. eine zentrale Aussparung bzw. Bohrung des Läufers.
-
In einer Ausführungsform umfasst der zu heizende Turbinenbereich einen nahe des Auslasses befindlichen Gehäuseabschnitt. Insbesondere bei dieser Ausführungsform kann die Heizluftzuführung vorteilhaft über eine Umleitungspassage erfolgen, die wenigstens zum Teil durch einen durch das Gehäuse verlaufenden Kanal ausgebildet ist.
-
In einer Ausführungsform umfasst der zu heizende Turbinenbereich nahe des Auslasses befindliche Leitschaufeln. Derartige Leitschaufeln sind typischerweise auf der Innenseite des Gehäuses nach radial innen ragend am Gehäuse befestigt, und können somit ebenfalls vorteilhaft jeweils mit einem durch das Gehäuse verlaufenden Kanal verbunden sein, welcher wenigstens einen Teil der betreffenden Umleitungspassage bildet.
-
In einer Ausführungsform umfasst der zu heizende Turbinenbereich einen nahe des Auslasses befindlichen Läuferabschnitt. Bei dieser Ausführungsform kommt in Betracht, den Läufer zumindest in diesem zu heizenden Abschnitt hohl auszubilden und eine Heizluftdurchströmung dieses Hohlabschnittes vorzusehen.
-
Erfindungsgemäß erfolgt jedenfalls die Zuleitung von Heizluft in den hohlen Läuferabschnitt im Gehäuseinneren. Die Ableitung der Heizluft kann jedoch innerhalb oder außerhalb des Gehäuses realisiert sein. Letzteres z. B. durch einen durch den Läufer verlaufenden Kanal (z. B. Bohrung), der sich zwischen dem hohlen Läuferabschnitt und einem stirnseitigen Ende des Läufers außerhalb des Gehäuses erstreckt.
-
Eine Zuleitung bzw. Ableitung im Gehäuseinneren lässt sich demgegenüber dadurch realisieren, dass der hohle Läuferabschnitt über wenigstens einen durch den Läufer verlaufenden Kanal mit einer oder mehreren Öffnungen am Umfang des Läufers verbunden ist, welche in das Gehäuseinnere münden.
-
So ist in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgesehen, dass die Heizluft über eine oder mehrere Öffnungen am Läuferumfang aus der das Gehäuseinnere durchströmenden Luft abgezweigt wird, durch einen bzw. mehrere Kanäle durch den Läufer bis hin zu dem zu heizenden Läuferabschnitt geführt wird, und schließlich z. B. über eine oder bevorzugt mehrere Heizluftöffnungen aus diesem Läuferabschnitt herausgeleitet und der das Gehäuseinnere durchströmenden Luft beigemischt wird.
-
In einer Ausführungsform umfasst der zu heizende Turbinenbereich nahe des Auslasses befindliche Laufschaufeln. Diese Ausführungsform lässt sich vorteilhaft z. B. dadurch realisieren, dass ausgehend von dem Läuferabschnitt die Heizluft über entsprechende Kanäle zum Läuferumfang und von dort weiter in die am Läuferumfang angebundenen Laufschaufeln weitergeleitet wird.
-
Falls der zu heizende Turbinenbereich Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln umfasst, etwa einige der in Durchströmungsrichtung betrachtet letzten Leitschaufel- bzw. Laufschaufelkränze in einem Endstufenbereich der Turbine, so ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die durch Kanäle im Inneren der betreffenden Schaufeln strömende Heizluft wenigstens zum Teil, insbesondere vollständig durch eine Vielzahl von Öffnungen an den betreffenden Schaufeln diese zum Gehäuseinneren hin verlässt und in die das Gehäuseinnere durchströmende Luft beigemischt wird. Die konkrete Anzahl und Anordnung von solchen Heizluftöffnungen kann der jeweiligen Turbinenkonstruktion angepasst werden. In vielen Fällen ist es bevorzugt, wenn jede derart beheizte Schaufel wenigstens 10, insbesondere wenigstens 20 Öffnungen besitzt. Dies ist insbesondere für eine gleichmäßige Verteilung der Heizenergie von Vorteil.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung zum Heizen von sowohl stationären Turbinenkomponenten (z. B. Gehäuseabschnitte) und/oder Leitschaufeln) als auch rotierenden Turbinenkomponenten (also Läuferabschnitt(en) und/oder daran angeordneten Komponenten wie Laufschaufeln) ausgebildet ist. Um dies zu realisieren, kann die Heizeinrichtung sowohl eine zu den betreffenden stationären Komponenten als auch eine zu den betreffenden rotierenden Komponenten führende Umleitungspassage umfassen.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Umleitungspassage mit einer Zumesseinrichtung wie z. B. einer einstellbaren Drossel versehen ist, um die Strömungsrate der über die Umleitungspassage strömenden Heizluft im Betrieb der Turbine variieren zu können.
-
Soweit die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen sich auf die erfindungsgemäße Turbine beziehen bzw. für diese beschrieben wurden, so können die betreffenden technischen Maßnahmen in analoger Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Turbine in einem CAES-System vorgesehen werden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren kann die aus dem Luftspeicher entnommene Druckluft im einfachsten Fall ohne vorherige Vorerwärmung dem hochdruckseitigen Einlass der Turbine zugeführt werden. Diese Versorgung der Turbine kann zweckmäßigerweise über ein eingangsseitiges Regelventil erfolgen, welches entsprechend der gewünschten Luftzufuhrrate bzw. dem gewünschten Luftdruck am hochdruckseitigen Einlass der Turbine angesteuert wird.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Luft mit einem Druck von mehr als 30 bar, insbesondere mehr als 60 bar, am hochdruckseitigen Einlass zugeführt wird.
-
Insbesondere bei Verwendung einer Vorerwärmungseinrichtung im Bereich der Luftzufuhr kann vorgesehen sein, dass die am hochdruckseitigen Einlass der Turbine zugeführte Luft eine Temperatur von mehr als 100°C, insbesondere mehr als 200°C besitzt. Eine solche Luftvorerwärmung kann im Rahmen einer Effizienzoptimierung der Turbine bzw. des CAES-Systems durchaus vorteilhaft sein. Die zur Vorerwärmung, beispielsweise mittels eines Wärmetauschers, erforderliche Energie kann z. B. wenigstens zum Teil aus der mittels der Turbine gewonnenen Energie bereitgestellt werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Turbine derart betrieben, dass die Temperatur der Luft am niederdruckseitigen Auslass kleiner als 50C°, insbesondere kleiner als 30°C ist. Bevorzugt ist diese Temperatur jedoch gröber als –10°C, beispielsweise größer als 0°C.
-
Bevorzugt besitzen die Oberflächen des Turbinenbereiches, der in Kontakt mit der Luft im Gehäuseinneren steht, Temperaturen von jeweils mehr als 0°C.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Heizung eine solche Oberflächentemperatur von mehr als 0°C erreicht wird, die ansonsten (ohne die Heizung) unter 0°C liegen würde und/oder eine Oberflächentemperatur an zumindest einem Oberflächenabschnitt um mehr als 5°C, insbesondere mehr als 10°C erhöht wird (im Vergleich zu einem Betrieb ohne die Heizung).
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 eine schematische Längsschnittansicht einer in einem CAES-System zu verwendenden Turbine zur Energierückgewinnung gemäß eines ersten, als solches nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
-
2 eine Schnittansicht eines Bereiches aus einer an sich bekannten Gasturbinenkonstruktion, zur Veranschaulichung einer auch bei der Erfindung einsetzbaren Strömungskanalanordnung im Inneren von Laufschaufeln und Leitschaufeln,
-
3 eine perspektivische Ansicht einer an sich bekannten Laufschaufel einer Gasturbine, zur Veranschaulichung einer auch bei der Erfindung einsetzbaren Laufschaufeldurchströmung,
-
4 eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine gemäß eines zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, und
-
5 eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine gemäß eines dritten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
-
1 zeigt eine Turbine 10 für ein CAES (”compressed air energy storage”)-System, mittels welcher eine Energierückgewinnung aus in komprimierter Form zugeführter Luft erfolgen kann, welche zuvor unter hohem Druck in einen Luftspeicher gefördert wurde. Bei dem Luftspeicher kann es sich z. B. um eine natürliche Kaverne oder einen künstlichen Luftspeicher handeln. Derartige CAES-Systeme sind an sich bekannt und bedürfen daher keiner detaillierteren Erläuterung.
-
Die Turbine 10 umfasst ein in 1 lediglich schematisch dargestelltes, in der Praxis aus einer Mehrzahl von Gehäuseteilen zusammengesetztes Turbinengehäuse 12 mit einem hochdruckseitigen Einlass 14, über welchen die Druckluft in das Gehäuseinnere bzw. einen Gehäuseinnenraum 16 gelangt. Diese Lufteinströmung ist durch einen Pfeil 18 symbolisiert und erfolgt über ein Regelventil 20, welches bei Bedarf geöffnet wird, um die Energierückgewinnung durchzuführen. Eine stufenlose Einstellbarkeit des Regelventils 20 erlaubt darüber hinaus die Einstellung eines vorbestimmten Drucks der am hochdruckseitigen Einlass 14 bereitgestellten Druckluft.
-
Die Turbine 10 umfasst ferner einen niederdruckseitigen Auslass 22, über welchen die den Gehäuseinnenraum 16 durchströmende Luft die Turbine 10 wieder verlässt (vgl. Pfeil 23).
-
Ferner umfasst die Turbine 10 einen drehbar im Gehäuseinneren gelagerten Turbinenläufer 24, der an einigen Stellen seiner Längserstreckung jeweils mit radial vom Läuferumfang abstehenden Laufschaufeln 26 versehen ist, um den Läufer 24 mittels der den Gehäuseinnenraum 16 durchströmenden Luft in Drehung zu versetzen.
-
In den mit Laufschaufeln 26 besetzten Abschnitten des Läufers 24 wirken diese Laufschaufeln 26 mit geeignet angeordneten, stationären Leitschaufeln 28 für eine effiziente Strömungsführung zusammen.
-
Die Drehlagerung des Läufers 24 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine in einem ersten Lagergehäuse 30 baulich zusammengefasste Kombination eines Axiallagers 32 mit einem ersten Radiallager 34 und ein in einem zweiten Lagergehäuse 36 untergebrachten zweiten Radiallager 38 bewerkstelligt, wobei aufgrund der hier außerhalb des eigentlichen Turbinengehäuses 12 vorgesehenen Anordnung der Lager 32, 34 und 38 entsprechende Dichtschalen 40 und 42 vorgesehen sind, durch welche die stirnseitigen Enden des Läufers 24 aus dem Gehäuse 12 herausragen. Abweichend von dieser Darstellung könnten die Einrichtungen zur Drehlagerung des Läufers 24 auch wenigstens teilweise innerhalb des den Innenraum 16 umgrenzenden Turbinengehäuses 12 angeordnet sein.
-
In 1 nicht dargestellt ist der zur Rückgewinnung von elektrischer Energie mit der Turbine 10 gekoppelte elektrische Generator. Dieser ist z. B. an einem stirnseitigen Ende der dargestellten Turbine 10 angeordnet und über eine Generatorwelle betrieben, welche drehfest bzw. über eine Drehkopplung (z. B. eine Kupplung und/oder ein Übersetzungsgetriebe mit dem Läufer 24 verbunden ist.
-
Im Betrieb der Turbine 10 wird die Druckluft am Einlass 14 beispielsweise mit einer Temperatur von etwa 400 bis 600°C (durch Vorerwärmung) und einem Druck von etwa 50 bis 150 bar zugeführt.
-
Im dargestellten Beispiel strömt diese Luft zunächst in einen Ringraum 44, und von dort aus in 1 nach links durch eine erste Turbinentrommel. In 1 rechts von einer Axialdichtung 46 erfolgt eine Umkehr der Strömungsrichtung, d. h. die Luft strömt sodann in 1 nach rechts weiter durch eine zweite Turbinentrommel und schließlich eine dritte Turbinentrommel. Nach Durchströmung dieser drei Turbinentrommeln, die jeweils aus ineinandergreifenden Laufschaufeln 26 (am Läufer 24) und Leitschaufeln 28 (am Gehäuse 12 bzw. an entsprechenden Leitschaufelträgern 48-2 und 48-3, die wiederum am Gehäuse 12 befestigt sind), verlässt die Luft die Turbine 10 an deren Auslass 22 (vgl. Pfeil 23).
-
Durch die Expansion der Luft während dieser Durchströmung des Gehäuseinnenraumes 16 (vgl. in 1 eingezeichnete Pfeile) vermindert sich die Temperatur und der Druck dieser Luft erheblich.
-
Im dargestellten Beispiel ergibt sich nach der ersten Turbinenstufe z. B. eine Temperatur von etwa 300 bis 500°C und ein Druck von etwa 40 bis 60 bar, abhängig vom Druckniveau und Temperaturniveau am Eintritt 14.
-
Nach der weiteren Durchströmung der zweiten und dritten Turbinentrommel ist der Druck weiter verringert, beispielsweise auf etwa 1 bar (Atmosphäre) am Auslass 22.
-
Normalerweise würde die Endtemperatur der Luft nach der dritten Turbinentrommel bzw. am Auslass 22 im dargestellten Beispiel einen Wert von etwa –30 bis –40°C erreichen. Demzufolge würden Turbinenkomponenten, die im Kontakt mit der stark abgekühlten Luft am Ende von deren Strömungsweg im Gehäuseinnenraum 16 stehen, eine Temperatur von etwa –20 bis –30°C erreichen.
-
Diese nachteilig sehr niedrigen Temperaturen werden bei der Turbine 10 jedoch durch ein Heizen von Turbinenkomponenten in einem Turbinenbereich vermieden, der in Kontakt mit der abgekühlten Luft am Ende von deren Strömungsweg steht.
-
Die Heizeinrichtung wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine von Heizluft durchströmte und in den zu heizenden Turbinenbereich führende Umleitungspassage 50 ausgebildet. Die Umleitungspassage 50 wird mit Luft versorgt, welche über einen Abzweigungsauslass 52 aus dem ”Hauptstrom”, also der den Gehäuseinnenraum 16 durchströmenden Luft abgezweigt wurde.
-
Die Massenströmungsrate der durch die Umleitungspassage 50 strömenden Luft beträgt im dargestellten Beispiel weniger als 5 derjenigen Massenströmungsrate, mit welcher Luft vom Einlass 14 bis zum Auslass 22 strömt.
-
Dieser relativ kleine Anteil an umgeleiteter Luft kann durch eine entsprechende strömungstechnische Auslegung der Umleitungspassage (unter Berücksichtigung der Druckverhältnisse und der Strömungswiderstände) in gewünschter Weise festgelegt werden. Insbesondere um eine Einstellung oder Veränderung dieser Massenströmungsrate auch während des Betriebs der Turbine 10 zu ermöglichen, kann wie in 1 dargestellt, eine einstellbare Drossel 54 im Verlauf der Umleitungspassage 50 angeordnet werden. Die Ansteuerung dieser Drossel kann z. B. in elektrischer Weise durch eine Steuereinrichtung erfolgen.
-
Ferner ist es denkbar, wie ebenfalls in 1 dargestellt, einen Wärmetauscher 56 in der Umleitungspassage 50 anzuordnen, um der Luft an dieser Stelle Wärme zu entziehen (vgl. Pfeil 58), was unter Umständen zur Optimierung der Gesamteffizienz vorteilhaft ist. Die von einem solchen Wärmetauscher 56 entzogene Wärme kann z. B. einen Teil der zur Vorerwärmung der Luft benötigten Wärme darstellen. Der Wärmeentzug kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn die in die Umleitungspassage 50 einströmende Luft eine besonders hohe Temperatur besitzt und wie dargestellt unmittelbar nach Durchströmung der ersten Turbinenstufe (oder sogar vorher) abgezweigt wurde.
-
Im dargestellten Beispiel umfasst der zu heizende Turbinenbereich einen nahe des Auslasses 22 befindlichen Gehäuseabschnitt 60 und den daran angeordneten Leitschaufelträger 48-3 mitsamt daran angeordneten Leitschaufeln 28. Es sind dies die Leitschaufeln der vier zuletzt von der sich abkühlenden Luft im Gehäuseinnenraum 16 umströmten Leitschaufelkränze, gemäß dieses Turbinenentwurfs, welche somit einer besonders kalten Luftumströmung ausgesetzt sind.
-
Die Umleitungspassage 50 umfasst, wie in 1 symbolisiert, durch das Gehäuse 12 und den Leitschaufelträger 48-3 verlaufende Kanäle, über welche die Heizluft z. B. mit einer Temperatur von etwa 50 bis 100°C den Leitschaufelträger 48-3 und die davon getragenen Leitschaufeln 28 durchströmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die betreffenden Leitschaufeln 28 hierfür mit Heizluftkanälen versehen, die an der Oberfläche der Leitschaufeln 28 in einer Vielzahl von Luftaustrittsöffnungen münden, so dass die Heizluft über einen größeren Bereich verteilt an der Oberfläche der betreffenden Leitschaufeln 28 austritt, sich verteilt, und der im Gehäuseinnenraum 26 strömenden Luft beigemischt wird.
-
Damit wird vorteilhaft der in Kontakt mit der Luft am Ende von deren Strömungsweg im Gehäuseinnenraum 16 stehende Turbinenbereich, hier speziell einige der letzten Leitschaufelkränze, geheizt. Vorteilhaft können so Probleme mit besonders niedrigen Temperaturen im Endstufenbereich der Turbine 10 vermieden werden.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine unmittelbare Heizung lediglich für den Gehäuseabschnitt 60, den im Turbinenverlauf letzten Leitschaufelträger 48-3 und die daran gehaltenen Leitschaufeln 28 vorgesehen, wobei jedoch eine gewisse Heizwirkung indirekt auch für weitere in diesem Turbinenbereich angeordnete Turbinenkomponeneten (z. B. Laufschaufeln 26) erzielt wird. Dies deshalb, weil die Heizluft nach Durchströmung der direkt geheizten Komponenten in die den Gehäuseinnenraum 16 durchströmende Luft beigemischt wird, so dass auch deren Temperatur und somit die Temperatur der mit diesem Luftstrom in Kontakt stehenden weiteren Komponenten zumindest mehr oder weniger erhöht wird.
-
Alternativ oder zusätzlich zu der im Ausführungsbeispiel gemäß 1 beschriebenen direkten Heizung von stationären Turbinenkomponenten wie z. B. dem Leitschaufelträger 48-3 und den Leitschaufeln 28 kann auch eine solche direkte Heizung von rotierenden Turbinenkomponenten vorgesehen sein. Bei solchen rotierenden Turbinenkomponenten kann es sich z. B. insbesondere an einen nahe des Auslasses 22 befindlichen Abschnitt des Läufers 24 und/oder daran angeordnete Laufschaufeln 26 handeln. Diese Möglichkeit, alternativ oder zusätzlich rotierende Turbinenkomponeneten direkt (durch eine Heizluftdurchströmung) zu heizen, wird weiter unten anhand erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele noch mit Bezug auf die 4 und 5 beispielhaft erläutert.
-
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
-
Die 2 und 3 zeigen als solche aus dem Stand der Technik bekannte Konstruktionsdetails betreffend die Anordnung von Kühlluftkanälen in einer Anordnung von Laufschaufeln 26a und Leitschaufeln 28a einer Gasturbine (2) bzw. in einer Laufschaufel 26b einer Gasturbine (3).
-
Derartige, im Stand der Technik zu Kühlzwecken eines bestimmten Turbinenbereiches bekannte Konstruktionen bzw. Kanalanordnungen in Turbinenschaufeln können vorteilhaft auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Dies jedoch zum Zwecke der erfindungsgemäß vorgesehenen Heizung (nicht Kühlung) von Turbinenkomponenten.
-
2 veranschaulicht z. B. eine mögliche Auffächerung des Strömungsmediums (hier: Kühlluft) und/oder eine mäanderartige Kanalführung dieses Mediums innerhalb von Turbinenschaufeln 26a bzw. 28a. Ferner erkennt man die Möglichkeit, die effektive Austrittsfläche des Mediums an der Oberfläche der Schaufeln 26a, 28a durch Anordnung von mehreren Austrittsöffnungen zu vergrößern.
-
3 veranschaulicht ebenfalls die Möglichkeit, das Strömungsmedium durch eine Vielzahl von Öffnungen an der Oberfläche der betreffenden Schaufel 26b austreten zu lassen.
-
Bei Verwendung derartiger Konstruktionen bzw. Schaufeln im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Strömungsmedium Luft mit einer Temperatur, die größer als die Temperatur der damit zu heizenden Komponenten bzw. größer als die Temperatur der diese Komponenten im ”Hauptstrom” der Turbine umströmenden Luft ist.
-
Die 4 und 5 veranschaulichen weitere Ausführungsbeispiele einer Turbine 10c bzw. 10d, bei denen jeweils eine Heizung eines Abschnittes 62c bzw. 62d eines rotierenden Turbinenläufers 24c bzw. 24d mitsamt daran gehaltenen Laufschaufeln 26c bzw. 26d vorgesehen ist.
-
Diese direkte Heizung von bewegten Turbinenkomponenten kann alternativ oder zusätzlich zu der oben mit Bezug auf die 1 bereits beschriebenen Heizung von stationären Turbinenkomponenten vorgesehen sein.
-
Der grundlegende Aufbau und die Funktion der Turbinen 10c und 10d entsprechen dem Aufbau und der Funktion der Turbine 10 von 1. Nachfolgend werden daher für die Turbinen 10c (4) und 10d (5) lediglich die Maßnahmen zur Heizung der rotierenden Turbinenkomponenten detaillierter beschrieben.
-
Bei den Turbinen 10c und 10d etwaig zusätzlich vorgesehene Maßnahmen zur Heizung von stationären Turbinenkomponenten können z. B. genauso wie mit Bezug auf 1 bereits beschrieben realisiert sein.
-
Bei der in 4 dargestellten Turbine 10c ist ebenfalls eine Umleitungspassage 50c ausgebildet, welche von Heizluft durchströmt wird und welche diese Heizluft in einen zu heizenden Turbinenbereich führt.
-
Die Umleitungspassage 50c wird im dargestellten Beispiel mit Luft versorgt, welche über eine oder mehrere Abzweigungsöffnungen 52c am Umfang eines in 4 mittleren Abschnittes des Läufers 24c vorgesehen sind. Über einen oder mehrere, durch den Läufer 24c verlaufende Kanäle gelangt die somit als Heizluft abgezweigte Luft in einen Hohlraum 64c des Läufers 24c.
-
In erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist die Umleitungspassage 50c mit einer Zumesseinrichtung (in der Figur nicht dargestellt) versehen, um die Strömungsrate der über die Umleitungspassage 50c strömenden Heizluft im Betrieb der Turbine 10c variieren zu können.
-
Hierfür könnte z. B. ein den Läufer 24c in Umfangsrichtung umgreifender ”Drosselring” (mit einem kleinen Abstand zwischen Drosselring und Läufer 24c) verwendet werden, der im Betrieb der Turbine 10c in Axialrichtung derart verschiebbar gelagert ist, dass damit der Strömungswiderstand des Lufteintrittes in die Abzweigungsöffnung(en) 52c einstellbar ist, indem der Drosselring die Abzweigungsöffnung(en) 52c mehr oder weniger ”strömungstechnisch abdeckt”.
-
Ausgehend von dem Hohlraum 64c gelangt die Heizluft über schräg zur Axialrichtung nach radial außen durch den am Ende des Hauptströmungsweges befindlichen Läuferabschnitt 62c hindurch zu Fußabschnitten von Laufschaufeln 26c, die an diesem Abschnitt des Läufers 24c befestigt sind. Zur Heizung dieser Laufschaufeln strömt die Heizluft durch geeignet im Inneren der Laufschaufeln 26c ausgebildete Heizluftkanäle.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden in dieser Weise die letzten drei Laufschaufelreihen bzw. -kränze der dritten und somit letzten Turbinenstufe geheizt. Die betreffenden Laufschaufeln 26c können an ihrer Oberfläche z. B. mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen sein, durch welche die Heizluft wieder aus den Schaufeln austritt und dem ”Hauptstrom” beigemischt wird (vgl. z. B. 3).
-
Abweichend vom dargestellten Beispiel könnten auch mehr oder weniger als drei Laufschaufelreihen in dieser Weise aktiv geheizt werden. Bevorzugt ist es jedoch, eine bestimmte Anzahl von im Strömungsweg der Luft betrachtet ”letzten Schaufelreihen” (Laufschaufel- und/oder Leitschaufelreihen) zu beheizen.
-
Der Hohlraum 64c des Läufers 24c kann bei dessen Fertigung z. B. durch Einbringung einer axialen Bohrung (konzentrisch zur Läuferachse) an einem beispielsweise einstückig bereitgestellten Läufer 24c ausgebildet werden. Alternativ kann z. B. ein Läufer aus hohlen und massiven Teilstücken zusammengesetzt (und z. B. verschweißt) werden.
-
Falls bei einem mit einer Bohrung versehenen Läufer kein Austritt von Heizluft an der entsprechenden Bohrungsmündung am Stirnende des Läufers gewünscht ist, so kann dieses Stirnende oder ein weiter innen liegender Bereich des Läufers geeignet abgedichtet werden. Hohle Abschnitte des Läufers, selbst wenn diese nicht als Teil der Umleitungspassage 50c für eine Durchströmung mit Heizluft vorgesehen sind, besitzen in jedem Fall auch den Vorteil einer gewissen Material- und Gewichtsersparnis.
-
Bei der in 5 dargestellten Turbine 10d ist der im rechten Teil der Figur ersichtliche Bereich eines Läufers 24d aus mehreren Teilen zusammengesetzt, die im dargestellten Beispiel mittels Schweißnähten 66d und 68d nachträglich miteinander verschweißt wurden. Damit ist es in einfacher Weise möglich, eine über die axiale Länge des Läufers 24d betrachtet beliebige Variation der radialen Ausdehnung bzw. des Durchmesser eines Hohlraumes 64d im Läufer 24d vorzusehen.
-
Im dargstellten Beispiel besitzt der Hohlraum 64d in einem axialen Abschnitt, welcher mit Laufschaufeln 26d besetzt ist, eine vergrößerte radiale Ausdehnung (Durchmesser). Die in diesem Abschnitt den Läufer 24d durchsetzenden Heizluftkanäle sind dementsprechend wesentlich kürzer als die entsprechenden Kanäle bei dem Beispiel gemäß 4. Außerdem verlaufen diese Kanäle bei dem Beispiel gemäß 5 im Wesentlichen exakt in Radialrichtung. Der in diesem Bereich lokal vergrößerte Hohlraum 64d verbessert außerdem die Heizwirkung für den Läufer 24d in diesem Bereich, welcher im Kontakt mit der Luft am Ende von deren Strömungsweg durch den Gehäuseinnenraum 16d steht.
