DE102011112340A1

DE102011112340A1 - Gasturbinenanordnung

Info

Publication number: DE102011112340A1
Application number: DE102011112340A
Authority: DE
Inventors: Sascha Justl; Thomas Zierer; Robert Marmilic; Sergey Shchukin; Carlos Simon-Delgado
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2012-03-22
Also published as: CH703827A1

Abstract

Beschrieben wird eine Gasturbinenanordnung mit einem zwischen einer um eine Rotorachse (A) drehbaren Rotoreinheit (2) und wenigstens einer stationären Komponente (1) axial begrenzten Ringraum (5), in den von Seiten der wenigstens einen stationären Komponente (1) eine Vielzahl von Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) münden, aus denen jeweils eine Kühlmittelströmung (K) in den Ringraum (5) ausbringbar ist, die zumindest anteilig in Kühlmitteleintrittsöffnungen (3) gelangt, die in Strömungsrichtung der sich durch den Ringraum (5) ausbreitenden Kühlmittelströmung (K) in der Rotoreinheit (2) vorgesehen sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der wenigstens einen stationären Komponente (1) und der Rotoreinheit (2) wenigstens eine Ringdichtungsanordnung (6) vorgesehen ist, die den Ringraum (5) von einem mit Spülgas (S) druckbeaufschlagten, radial inneren Hohlraum (7) trennt, und dass innerhalb der wenigstens einen stationären Komponente (1) wenigstens eine Bypassleitung (8) eingebracht ist, die relativ zu den Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) radial aussen liegend in den Ringraum (5) oder in einen sich radial aussen an den Ringraum (5) anschließenden Bereich mündet und eiuckbeaufschlagbaren Hohlraum (7) darstellt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanordnung mit einem Ringraum, der zwischen einer um eine Rotorachse drehbaren Rotoreinheit und wenigstens einer stationären Komponente axialwärts begrenzt ist und in den von Seiten der wenigstens einen stationären Komponente eine Vielzahl von Kühlmittelaustrittsöffnungen münden, aus denen jeweils eine Kühlmittelströmung, zumeist in Form von Kühlluft, in den Ringraum ausbringbar ist. In Strömungsrichtung der sich durch den Ringraum von Seiten der Kühlmittelaustrittsöffnungen ausbreitenden Kühlmittelströmung befinden sich innerhalb der Rotoreinheit Kühlmitteleintrittsöffnungen, in die wenigstens ein Teil der Kühlmittelströmung gelangt, die durch sich an den Kühlmitteleinströmöffnungen innerhalb der Rotoreinheit anschließenden Kühlmittelleitungen an thermisch belastete Bereiche der Rotoreinheit oder an mit der Rotoreinheit verbundene Komponenten geleitet wird.
Stand der Technik
Eine gattungsgemäße Gasturbinenanordnung ist der US 4,348,157 zu entnehmen, bei der zur Kühlung der an der Rotoreinheit angebrachten Rotorschaufeln Kühlluft benutzt wird, die über innerhalb stationärer Komponenten der Gasturbinenanordnung verlaufenden Kühlkanälen zugeführt wird und über entsprechend angeordnete Kühlkanalöffnungen auf die Rotoreinheit auftrifft. Rotorseitig sind ebenfalls entsprechende Kühllufteintrittsöffnungen vorgesehen, in die zumindest ein Teil der zugeführten Kühlluft einströmt. Die Übertragung der Kühlluft von Seiten der stationären Komponente in die sich drehende Rotoreinheit erfolgt innerhalb eines weitgehend abgedichteten Ringraumes, der einerseits axial zur Rotorachse von der Rotoreinheit und der stationären Komponente begrenzt ist und andererseits in Radialrichtung von einer radial innen liegenden und radial außen liegenden Ringdichtungsanordnung, zumeist in Ausbildung einer an sich bekannten Labyrinthdichtung, begrenzt ist. Die radial äußere Ringdichtungsanordnung grenzt den Ringraum zum Heißgaskanal der Turbinenstufe ab, wohingegen die innen liegende Ringdichtungsanordnung den Ringraum gegenüber einem rotorseitig zugewandten Hohlraum begrenzt, in dem Spülgas eingebracht ist, um Rotorwellen nahe Komponenten der Rotoreinheit vor reibungsbedingten Überhitzungen zu bewahren. Die Druckverhältnisse in den jeweiligen Bereichen der Gasturbine nehmen mit zunehmendem radialen Wellenabstand ab, d. h. das rotorwellenseitig vorhandene Spülgas steht unter einem höheren Druck verglichen zu den Druckverhältnissen innerhalb des Ringraumes, die wiederum über den Arbeitsdruckverhältnissen innerhalb des Heißgaskanals liegen.
Da die verwendeten Ringdichtungsanordnungen systembedingt nicht perfekt abdichten können, tritt eine so genannte radial gerichtete Leckageströmung auf, die von der Innenseite, d. h. von Seiten des rotorwellennahen Hohlraumes durch die radial innere Ringdichtungsanordnung in den Ringraum und von diesem durch die radial äußere Ringdichtungsanordnung in den Hauptgaskanal gerichtet ist. Es zeigt sich dabei, dass die den Ringraum radial durchsetzende Leckageströmung die dort zu Kühlzwecken der Rotoreinheit vorhandene Kühlluftströmung, deren Strömungsrichtung vorwiegend axial orientiert ist, erheblich zu irritieren vermag, wodurch sich der in die Kühlmitteleintrittsöffnungen gelangende Anteil der Kühlluftströmung reduziert und sich die Kühlwirkung sowie die damit verbundene Effizienz der gesamten Turbinenanordnung deutlich verschlechtert.
In der vorstehend zitierten Druckschrift wird hierzu vorgeschlagen, rotorseitig eine Ablenkvorrichtung zwischen den radial sich gegenüberliegenden Ringdichtungsanordnungen vorzusehen, die die Leckageströmung in radial verlaufende Kanäle zwingt, so dass ein Strömungsweg für die Leckageströmung zwischen der radial inneren und äußeren Ringdichtungsanordnung an den jeweiligen Kühlkanalöffnungen vorbei geschaffen wird.
Abgesehen von der vorstehend geschilderten Eigenschaft von nicht vollständig gasdichten Ringdichtungsanordnungen, durch die sich eine Leckageströmung ausbildet, gilt es für einen Austausch des zwischen den rotierenden und stationären Anlagenkomponenten eingebrachten Spülgases zu sorgen, das reibungsbedingt hohe Temperaturen aufweist, stark verwirbelt ist und unter hohem Druck steht. Zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Austausches an Spülgas gilt es dieses zumindest anteilsmäßig über entsprechende Verbindungskanäle bzw. leckagebedingte Ringdichtungsanordnungen radial nach außen, zumeist in den Arbeitskanal der jeweiligen Strömungsrotationsmaschine auszutragen. Im Falle einer Turbinenstufe gelangt Spülgas durch entsprechenden Zwischenspalte in den Heißgaskanal, in dem sich das Spülgas mit den Heißgasen vermischt. Neben den bereits erläuterten Problemen beim radialen Durchtritt des Spülgases in Form von Leckageströmungen durch die sich weitgehend axial ausbreitende Kühlmittelströmung, vermögen die mit der Heißgasströmung innerhalb des Heißgaskanals sich vermischenden Spülgasströmungsanteile die Turbineneffizienz zu beeinträchtigen, zumal die in die Heißgasströmung eintretenden Spülgasanteile über stark unterschiedliche aerodynamische Eigenschaften verglichen zu jenen der Heißgasströmung verfügen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Gasturbinenanordnung mit einem zwischen einer um eine Rotorachse drehbaren Rotoreinheit und wenigstens einer stationären Komponente zumindest axial begrenzten Ringraum, in den von Seiten der wenigstens einen stationären Komponente eine Vielzahl von Kühlmittelaustrittsöffnungen münden, aus denen jeweils eine Kühlmittelströmung in den Ringraum ausbringbar ist, die zumindest anteilig in Kühlmitteleintrittsöffnungen gelangt, die in Strömungsrichtung der sich durch den Ringraum ausbreitenden Kühlmittelströmung in der Rotoreinheit vorgesehen sind, dadurch weiterzubilden, dass unter Vermeidung konstruktiv aufwendiger und kostenintensiver Modifikationen Vorkehrungen getroffen werden sollen, die zwischen der Rotoreinheit und der stationären Komponente vorhandene Kühlmittelströmung möglichst unbeeinflusst zu belassen trotz einer kontrollierten radialen Abführung von Spülgasanteilen. Im Falle einer als Gasturbinenstufe ausgebildeten Rotoreinheit gilt es zudem darauf zu achten, die aerodynamischen Strömungsverhältnisse der Heissgase innerhalb des Heissgaskanals nicht negativ durch die Einspeisung von Spülgasanteilen zu beeinträchtigen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Eine alternative Lösungsvariante ist im Anspruch 5 beschrieben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Lösungsgemäß ist eine Gasturbinenanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch ausgebildet, dass zwischen der wenigstens einen stationären Komponente und der Rotoreinheit wenigstens eine Ringdichtungsanordnung vorgesehen ist, die den Ringraum von einem mit Spülgas druckbeaufschlagten, radial inneren Hohlraum trennt, und dass innerhalb der wenigstens einen stationären Komponente wenigstens eine Bypassleitung eingebracht ist, die relativ zu den Kühlmittelaustrittsöffnungen radial aussen liegend in den Ringraum oder in einen sich radial aussen an den Ringraum anschließenden Bereich mündet und eine fluidische Verbindung zu dem mit Spülgas druckbeaufschlagbaren Hohlraum darstellt.
Eine lösungsgemäße Ausführungsform sieht innerhalb der stationären Komponente wenigstens einen Bypassleitung zwischen dem rotorwellenseitig eingeschlossenen Hohlraum, der mit unter hohem Druck und hohen Temperaturen stehende Spülgas befüllt ist, und dem Ringraum vor, wobei der Bypassleitung in den Ringraum oder in einem sich radial äusseren Bereich zum Ringraum einmündet, so dass die durch den Bypassleitung gelangenden Spülgasanteile mittel- oder unmittelbar in den Heißgaskanal entweichen kann, ohne dabei die Kühlmittelströmung innerhalb des Ringraums zu irritieren, zumal sich diese in einem deutlich radial inneren Bereich des Ringraumes ausbreitet.
Die über die Bypassleitung in den radial äußeren Bereich des Ringraums austretenden Spülgasanteile gelangen im vorstehenden Ausführungsbeispiel mit einer Strömungscharakteristik, die durch die im Hohlraum vorherrschenden Strömungs- und Wirbelverhältnisse vorgegeben sind, in den Heissgaskanal, durch die die Heissgasströmung negativ beeinflusst wird. Um die Heißgasströmung durch die eintretende Spülgasströmung nicht nachhaltig zu beeinflussen ist es daher vorteilhaft, der Spülgasströmung noch vor Eintritt in den Ringraum eine bestimmte Drall- bzw. Wirbelcharakteristik einzuprägen, die in etwa jener der Heißgasströmung entspricht. Auf diese Weise wird die Heißgasströmung nicht oder nur geringfügig irritiert. In besonders vorteilhafter Weise lassen sich bei Einprägung einer geeigneten Drallcharakteristik in die in die Heissgasströmung einzuspeisende Spülgasströmung sogar Wirkungsgrad erhöhende Effekte bezüglich der Gesamtleistung der Gasturbine erzielen. Um dies zu realisieren sieht eine weitere lösungsgemäße Ausführungsform den Einsatz von längs der wenigstens einen Bypassleitung eingebrachte Strömungsleitelemente vor, durch die ein vorgebbarer Strömungsdrall in die durch die Bypassleitung geführte und in den radial äußeren Bereich des Ringraums eintretende Spülgasströmung eingeprägt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bypassleitung innerhalb der stationären Komponente zumindest abschnittsweise ringspaltförmig ausgebildet, wobei der Ringspalt in der stationären Komponente koaxial zur Rotorachse orientiert ist. Innerhalb der ringspaltförmigen Bypassleitung ist eine Vielzahl einzelner Strömungsleitelemente in Umfangsrichtung der Bypassleitung derart verteilt angeordnet, dass in Umfangsrichtung jeweils zwei benachbarte Strömungsleitelemente einen gekrümmt verlaufenden Strömungskanal begrenzen, durch den jeweils das Spülgas hindurch strömt und dabei aufgrund der Strömungskanalkrümmung einen vorgegebenen Strömungsdrall erhält. Weitere Einzelheiten hierzu können der Beschreibung im Weiteren unter Bezugnahme auf die Illustration konkreter Ausführungsbeispiele entnommen werden.
Gilt es im vorstehend geschilderten Fall eine mögliche störende Wirkung seitens einer radial gerichteten, aus einem Hohlraum nahe der Rotorachse entweichenden Spülgasströmung auf die Kühlmittelströmung durch Einsatz einer Bypassleitung zu vermeiden, so ermöglicht eine zweite alternative, lösungsgemässe Gasturbinenanordnung mit einem alternativen Lösungsansatz die Vermeidung bzw. Reduzierung einer Irritation der Kühlmittelströmung durch eine radial austretende Spülgasströmung. In dieser Anordnung bedarf es nicht notwendigerweise einer Ringdichtungsanordnung zur Abtrennung des rotorwellenseitigen, mit Spülgas befüllten Hohlraumes gegenüber dem Ringraum.
Die stationäre Komponente sieht in diesem Fall eine dem Ringraum axial zugewandte Begrenzungsfläche vor, an der in Umfangsrichtung des Ringraumes eine Vielzahl über die Begrenzungsfläche erhabene Strömungsleitelemente angebracht ist, von denen jeweils zwei benachbarte Strömungsleitelemente jeweils einen in radialer Richtung orientierten Durchströmungsbereich seitlich begrenzen, so dass das aus dem rotorwellennahen Hohlraum vorhandene Spülgas in Form einer kontrollierten Spülgasströmung durch die Durchströmungsbereiche radial durch den Ringraum geführt bzw. geleitet wird. Um die Kühlmittelströmung durch den Ringraum möglichst störungsfrei zu erhalten, münden die Kühlmittelaustrittsöffnungen jeweils stirnseitig, der Rotoreinheit zugewandt, an jeweils einem Strömungsleitelement in den Ringraum. Auf diese Weise reduziert sich zum einen der freie Strömungsweg der Kühlmittelströmung durch den Ringraum jeweils um die axiale Erstreckung, mit der jedes einzelne Strömungsleitelement die Begrenzungsfläche der stationären Komponente überragt. Zum anderen ist es möglich durch eine entsprechende Formgebung der vorzugsweise rippenartig ausgebildeten Strömungsleitelemente der durch die Durchströmungsbereiche hindurch strömenden Spülgasströmung einen Drall bzw. einen Wirbel einzuprägen, der vorzugsweise jenem der Heißgasströmung entspricht, die sich innerhalb des sich radial aussen an den Ringraum angrenzenden Heißgaskanals entspricht, wodurch letztlich die Gesamtperformance, d. h. der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage zumindest nicht reduziert, sondern im Falle einer optimierter Strömungsanpassung sogar verbessert wird.
Die der Erfindung zugrunde Fegende Idee, nämlich die Gewährleistung einer möglichst ungestörten Kühlmittelströmung durch einen zwischen einer rotierenden und einer stationären Einheit axial beidseitig begrenzten Ringraum, der zusätzlich von einer weiteren Strömung weitgehend orthogonal zur Kühlmittelströmung durchsetzt wird, kann innerhalb einer Gasturbinenanordnung in sämtlichen Bereichen zur Anwendung kommen, in denen es jeweils gilt, rotierende Baueinheiten von Seiten stationärer Komponenten mit einem Kühlmittel zu versorgen. Dies trifft in erster Linie für die Kühlung von Turbinenlaufschaufeln zu, die in Umfangsrichtung an Rotorscheiben einer Rotoreinheit angebracht sind. Des Weiteren ist es denkbar, rotierende Verdichterlaufschaufeln gleichfalls mit der vorgeschlagenen Anordnung mit Kühlmittel, vorzugsweise in Form von Kühlluft zu versorgen.
Zur Versorgung des Rotors mit Kühlmittel werden typischerweise zwei verschiedene Strömungsformen verwandt. Für beide soll eine möglichst ungestörte Kühlmittelströmung durch einen zwischen einer rotierenden und einer stationären Einheit axial beidseitig begrenzten Ringraum gewährleistet werden. Bei der ersten, wird die Kühlmittelströmung mit einem möglichst hohen Drall in den Ringraum zugeführt, damit die Relativgeschwindigkeit zwischen Kühlmittel und Rotor möglichst gering ist und sie verlustfrei in das Rotorkühlluftsystem eingeleitet werden kann. Bei der zweiten Strömungsform wird das Kühlmittel möglichst drallfrei in den Ringraum eingeleitet, damit die Relativgeschwindigkeit zwischen Kühlmittel und Rotor möglichst hoch ist. Die hohe Relativgeschwindigkeit wird genutzt, um den Druck des Kühlmittels beim Eintritt in den Rotor durch sogenannte „Windeinfangflächen” (auch Cooling Scoop genannt) zu erhöhen. „Windeinfangflächen” sind zum Beispiel aus der DE 1221497 bekannt. „Cooling Scoops” sind beispielsweise in der WO 03036048 beschrieben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 perspektivische Darstellung einer schematisierten Rotoreinheit mit einer dieser stationär gegenüber gelagerten Komponente,
2 Schnittdarstellung der in 1 illustrierten schematischen Anordnung,
3a, b Seiten- und Schnittdarstellung durch einen mit Strömungsleitelementen versehenen Bypasskanal durch eine stationäre Komponente, sowie
4a, b schematisierte perspektivische Darstellung einer Rotoreinheit mit einer dieser stationär gegenüberliegenden Komponente mit Strömungsleitelementen, die an einer der Rotoreinheit zugewandten Begrenzungsfläche an der stationären Komponente angebracht sind.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt in schematisiert, perspektivischer Darstellung eine um eine Rotorachse A drehbar gelagerte Rotoreinheit 2 der axial gegenüber angeordnet eine stationäre Komponente 1 vorgesehen ist. 2 zeigt dieselbe Anordnung in Längsschnittdarstellung. Auf beide 1 und 2 sei nachfolgend gemeinsam Bezug genommen.
Es sei angenommen, dass die der Rotoreinheit 2 eine der stationären Komponente 1 axial gegenüberliegend angeordnete Rotorscheibe darstellt, an deren Rotorscheibenumfangsrand eine Vielzahl einzelner Turbinenlaufschaufeln angebracht ist, die es zu kühlen gilt, zumal die Turbinenlaufschaufeln den Heißgasen H innerhalb des Heißgaskanals der Gasturbinenanordnung ausgesetzt sind. Zur Kühlung der einzelnen Turbinenlaufschaufeln ist es ständige Praxis, ein Kühlmittel in Form eines Kühlluftstromes K von Seiten der stationären Komponente 1 der Rotoreinheit 2 zuzuführen. Hierzu sieht die stationäre Komponente 1 interne Kühlungskanäle (nicht im Einzelnen dargestellt) vor, die an einer der Rotoreinheit 2 zugewandten Begrenzungswand in Form von Kühlmittelaustrittsöffnungen 4 münden. Aus den Kühlmittelaustrittsöffnungen 4 gelangt Kühlmittel, üblicherweise Kühlluft, die von der Kompressoreinheit der Gasturbinenanordnung zur Verfügung gestellt wird, in Form einer gerichteten Drallströmung in den Ringraum 5 und strömt im Weiteren mit weitgehend axialer Strömungsrichtung zumindest anteilig durch rotorseitig vorgesehene Kühlmitteleintrittsöffnungen 3, an die sich interne Kühlkanäle 3' anschließen, längs der die Kühlluft K' innerhalb der Rotoreinheit 2 an die zu kühlenden Turbinenschaufeln gelangt. Im Betrieb dreht sich die Rotoreinheit 2 in Rotationsrichtung R um die Rotorachse A. Die von der Rotoreinheit 2 in den Heissgasstrom H verlaufenden Leitschaufeln sowie die von der stationären Komponente 1 in den Heissgasstrom H verlaufenden Leitschaufeln sind zur Vereinfachung nicht dargestellt.
Radial innenliegend, d. h. der Rotorachse A zugewandt, ist der Ringraum 5 über eine Ringdichtungsanordnung 6, vorzugsweise in Form einer Labyrinthdichtung, gegenüber einem inneren, rotorwellennahen Hohlraum 7 abgetrennt, der zu Spül- und Kühlzwecken sämtlicher rotorachsennahen Komponenten (nicht dargestellt) mit Spülgas befüllt ist, das aufgrund bestehender Reibungsarbeit zwischen den rotierenden und stationären Rotorachsennahen Komponenten über hohe Temperaturen sowie einen sehr hohen Strömungsdrallanteil verfügt.
Um zu vermeiden, dass das innerhalb des Hohlraumes 7 unter hohem Druck und hohen Temperaturen stehende Spülgas in Form einer die Kühlmittelströmung K störenden Leckageströmung durch die Ringdichtungsanordnung 6 in den Ringraum 5 gelangt und von dort in den radial außen liegenden Heißgaskanal, sieht die stationäre Komponente 1 wenigstens eine den Hohlraum 7 mit dem Ringraum 5 direkt verbindende Bypassleitung 8 vor, durch die heiße und verwirbelte Spülgasanteile S radial oberhalb zu den Kühlmittelaustrittsöffnungen 4 in den Ringraum 5 und im weiteren in den Heißgaskanal gelangen können, ohne dabei die Kühlluftströmung K innerhalb des Ringraums 5, die sich zwischen den Kühlmittelaustrittsöffnungen 4 und Kühlmitteleintrittsöffnungen 3 ausbildet, zu stören.
Die stationäre Komponente 1, die ringförmig die Rotorachse A umgibt und mit ihrer dem Ringraum 5 zugewandten Begrenzungsfläche 1' den Ringraum 5 einseitig axial begrenzt, sieht beispielsweise eine spaltförmig ausgebildete Bypassleitung 8 vor, längs der in Durchströmungsrichtung Strömungsleitelemente 9 eingebracht sind, die die ringförmige Bypassleitung 8 in eine Vielzahl benachbart nebeneinander liegende einzelne Durchströmungskanäle 8' unterteilt, durch die die Spülgasströmung S mit einem vorgegebenen Drall aus der Bypassleitung 8 in den oberen Bereich des Ringraumes 5 austritt. Die Strömungsleitelemente 9 sind zur besseren Veranschaulichung in den 3a und b dargestellt, von denen 3a u. a. ein Schnittbild durch die stationäre Komponente 1 zeigt, längs der eine Schnittelinie A-A mittig durch die Bypassleitung 8 dargestellt ist, deren zugehöriges Schnittbild in 3b illustriert ist. 3b zeigt eine Draufsicht auf den aufgeschnittenen Bypassleitung 8, in dem eine Vielzahl jeweils in Ringumfangsrichtung der stationären Komponente 1 einzelner Strömungsleitelemente 9 angeordnet ist. Jedes einzelne Strömungsleitelement 9 ist rippenartig ausgebildet und verfügt über eine Querschnittsform, die jenes einen gekrümmten Flügelprofils entspricht. Zwischen zwei benachbart angeordneten Strömungsleitelementen 9 bilden sich somit gekrümmt verlaufende Durchströmungsbereiche D aus, durch die das Spülgas S in Durchströmungsrichtung mit einem durch die Krümmung der einzelnen Strömungsleitelemente 9 vorgegebenen Strömungsdrall beaufschlagt wird. Die Drallstärke des durch die Strömungsleitelemente 9 eingeprägten Strömungsdralls ist an den Drall der in dem Heißgaskanal strömenden Heißgase H angepasst. Hierzu gilt es für einen Druckunterschied Δp = p₀ – p₁ zwischen der Druckprofilvorderkante und rückseitigen Kante der einzelnen profilierten Strömungsleitelemente 9 zu sorgen, der durch eine geeignet gewählte Profilform der Strömungsleitelemente eingestellt werden kann. Der Druck p₀ entspricht dem Druck des Spülgases S innerhalb des Hohlraumes 7, der Druck p₁ sollte dem Arbeitsdruck der Heissgase H innerhalb des Heissgaskanals entsprechen. Um diesen Druckunterschied Δp aufrecht zu erhalten, gilt es für eine möglichst gasdichte Abdichtung des Hohlraumes 7 gegenüber dem Ringraum 5 mit Hilfe der Ringdichtungsanordnung 6 zu sorgen.
Grundsätzlich ist es ebenso möglich, auf den Einsatz der vorstehend beschriebenen Strömungsleitelemente 9 längs der Bypassleitung 8 zu verzichten, wobei das unter hohem Druck p₀ innerhalb des Hohlraums 7 stehende Spülgas S weitgehend wirbelfrei aus der Bypassleitung 8 in den Bereich der Heißgasströmung H tritt. Diese Variante trägt jedoch zu einer geringfügigen aber vertretbaren Irritation der Heißgasströmung bei, vermeidet aber gleichwohl auch eine störende Beeinträchtigung der Kühlmittelströmung K.
In den 4a und b ist in perspektivischer Darstellungsform eine Rotoreinheit 2 mit einer dieser axial gegenüberliegend angeordneten stationären Komponente 1 illustriert, die beide ebenso axial zur Rotationsachse A einen Ringraum 5 einschließen. 4b zeigt die stationäre Komponente 1 in Alleinstellung mit der dem Ringraum 5 zugewandten Begrenzungsfläche 1', auf der gegenüber der Begrenzungsfläche 1' erhabene Strömungsleitelemente 9 auf- bzw. angebracht sind. Die Strömungsleitelemente 9 überragen die Begrenzungsfläche 1 mit einer axialen Erstreckung x und schließen jeweils zwischen liegende Durchströmungsbereiche D ein. An den der Rotoreinheit 2 zugewandten Stirnseiten jedes einzelnen Strömungsmittels 9 sind Kühlmittelaustrittsöffnungen 4 vorgesehen, aus denen Kühlluft in den verbleibenden engen Zwischenspalt innerhalb des Ringraumes 5 zwischen den Strömungsleitelementen 9 und der Rotoreinheit 2 austritt, um möglichst störungsfrei in die rotorseitig vorgesehenen Kühlmitteleintrittsöffnung 3 einzutreten. Die axiale Erstreckung x der Strömungsleitelemente 9 sollte wenigstens der Hälfte der axialen Ringraumerstreckung betragen.
Mit Hilfe einer derartigen Anordnung gelangt Spülgas S aus dem Hohlraum 7 durch die von den Strömungsleitelementen 9 radial begrenzten Durchströmungsbereiche D, ohne dabei die Kühlmittelströmung zwischen den Kühlmittelaustritts- und Eintrittsöffnungen 3, 4 nennenswert zu beeinträchtigen. Aufgrund der gekrümmten Profilierung jedes einzelnen Strömungsleitelementes 9 und den dadurch gekrümmt verlaufenden Durchströmungsbereichen D erfährt die sich radial ausbreitende Spülgasströmung S eine Drall bildende Ablenkung, so dass sie mit einem vorgegebenen Drall in den radial außen liegenden Heißgasstrom der Gasturbinenanlage eintritt. Hierdurch wird die Leistungseffizienz der Gasturbinenanordnung entsprechend gesteigert.
Die in 4a und b illustrierte Ausführungsform kann durch Vorsehen wenigstens einer radial innen liegenden Ringdichtungsanordnung zwischen der Rotoreinheit 2 und der stationären Komponente 1 ergänzt werden, um die Menge des durch die Strömungsbereiche D hindurch tretenden Spülgases zu limitieren.
Bezugszeichenliste

1: Stationäre Komponente
1: Rotorseitig zugewandte Begrenzungsfläche der stationären Komponente
2: Rotoreinheit
3: Kühlmitteleintrittsöffnungen
3': Rotorseitiger Kühlkanal
4: Kühlmittelaustrittsöffnungen
5: Ringraum
6: Ringdichtungsanordnung
7: Hohlraum
8: Bypassleitung
9: Strömungsleitelemente
A: Rotorachse
D: Durchströmungskanal
H: Heissgase
K, K': Kühlmittelströmung
R: Rotationsrichtung
S, S': Spülgasströmung
x: Axiale Erstreckung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4348157 [0002]
DE 1221497 [0015]
WO 03036048 [0015]

Claims

Gasturbinenanordnung mit einem zwischen einer um eine Rotorachse (A) drehbaren Rotoreinheit (2) und wenigstens einer stationären Komponente (1) axial begrenzten Ringraum (5), in den von Seiten der wenigstens einen stationären Komponente (1) eine Vielzahl von Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) münden, aus denen jeweils eine Kühlmittelströmung (K) in den Ringraum (5) ausbringbar ist, die zumindest anteilig in Kühlmitteleintrittsöffnungen (3) gelangt, die in Strömungsrichtung der sich durch den Ringraum (R) ausbreitenden Kühlmittelströmung (K) in der Rotoreinheit (2) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wenigstens einen stationären Komponente (1) und der Rotoreinheit (2) wenigstens eine Ringdichtungsanordnung (6) vorgesehen ist, die den Ringraum (5) von einem mit Spülgas (S) druckbeaufschlagten, radial inneren Hohlraum (7) trennt, und dass innerhalb der wenigstens einen stationären Komponente (1) wenigstens eine Bypassleitung (8) eingebracht ist, die relativ zu den Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) radial aussen liegend in den Ringraum (5) oder in einen sich radial aussen an den Ringraum (5) anschließenden Bereich mündet und eine fluidische Verbindung zu dem mit Spülgas (S) druckbeaufschlagbaren Hohlraum (7) darstellt.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der wenigstens einen Bypassleitung (8) wenigstens ein Strömungsleitelement (9) eingebracht ist, das einen Strömungsdrall in eine die Bypassleitung (8) in den Ringraum (5) oder in einen sich radial aussen an den Ringraum (5) anschließenden Bereich strömenden Spülgasströmung (S) initiiert.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungsleitelement (9) in Form eines gekrümmten Flügelprofils ausgebildet ist, das längs der Bypassleitung (8) mit einer dem Hohlraum (7) zugewandten Profilvorderkante und einer dem Ringraum (5) zugewandten Profilhinterkante eingebracht ist.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) ringspaltförmig ausgebildet ist, und dass eine Vielzahl der Strömungsleitelemente (9) in Umfangsrichtung der Bypassleitung (8) derart verteilt angeordnet ist, dass in Umfangsrichtung jeweils zwei benachbarte Strömungsleitelemente (9) einen gekrümmt verlaufenden Durchströmungskanal (D) begrenzen.
Gasturbinenanordnung mit einem zwischen einer um eine Rotorachse (A) drehbaren Rotoreinheit (2) und wenigstens einer stationären Komponente (1) axial begrenzten Ringraum (5), in den von Seiten der wenigstens einen stationären Komponente (1) eine Vielzahl von Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) münden, aus denen jeweils eine Kühlmittelströmung (K) in den Ringraum (5) ausbringbar ist, die zumindest anteilig in Kühlmitteleintrittsöffnungen (3) gelangt, die in Strömungsrichtung der sich durch den Ringraum (5) ausbreitenden Kühlmittelströmung (K) in der Rotoreinheit (2) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Komponente (1) eine dem Ringraum (5) axial zugewandte Begrenzungsfläche (1') aufweist, an der in Umfangsrichtung des Ringraumes (5) eine Vielzahl über die Begrenzungsfläche erhabener Strömungsleitelemente (9) angebracht ist, von denen jeweils zwei benachbarte Strömungsleitelemente (9) jeweils einen in radialer Richtung orientierten Durchströmungsbereich (D) seitlich begrenzen, dass die Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) jeweils stirnseitig, der Rotoreinheit (2) zugewandt, an den Strömungsleitelementen (9) in den Ringraum (5) münden, und dass ein mit Spülgas (S) druckbeaufschlagbarer Hohlraum (7) radial innenliegend an den Ringraum (5) mittel- oder unmittelbar angrenzt, so dass sich eine Spülgasströmung (S) durch die Durchströmungsbereiche (D) radial nach aussen gerichtet ausbildet.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsleitelemente (9) über eine axiale Erstreckung x über die Begrenzungsfläche (1') der stationären Komponente (1) erheben, und dass die Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) gegenüber der Begrenzungsfläche den Abstand x aufweisen.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass x wenigstens der Hälfte eines axialen Abstandes zwischen der Begrenzungsfläche (1') der stationären Komponente und der Rotoreinheit (2) entspricht.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (9) ripppenartig ausgebildet sind und jeweils die Form eines gekrümmten Flügelprofils besitzen.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung orientierten Durchströmungsbereiche (D) eine einheitliche Krümmung aufweisen, durch die die Spülgasströmung (S) bei Durchtritt durch die Durchströmungsbereiche einen Drall erhält.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (5) vom Hohlraum (7) durch eine Ringdichtungsanordnung getrennt ist.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (5) durch eine radial äußere Ringdichtungsanordnung vom Heißgaskanal einer Gasturbinenstufe getrennt ist.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelströmung axial in den Ringraum (5) eingeleitet wird, um eine möglichst drallfreie Strömung in dem Ringraum (5) zur Kühlmitteleinspeisung in den Rotor zu erzeugen.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelströmung unter einem Winkel von mehr als 30° in Umfangsrichtung in den Ringraum (5) eingeleitet wird, um eine möglichst drallbehaftete Strömung in dem Ringraum (5) zur Kühlmitteleinspeisung in den Rotor zu erzeugen.