Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zur Staub- und Schmutzabscheidung in
strömenden Medien, insbesondere für die Aufbereitung
eines Kühlmediums zur Kühlung von Komponenten einer
Strömungsmaschine, wie bspw. Leitschaufeln einer
Turbinenanlage.
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Eine ausreichende und zuverlässige Kühlung von
Komponenten einer Strömungsmaschine stellt einen
wesentlichen Aspekt für den Betrieb der
Strömungsmaschine dar. Moderne Hochtemperaturgasturbinen
erfordern zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ein
ausgeklügeltes Kühlsystem, insbesondere zur Kühlung der
hoch belasteten Turbinenschaufeln. Die
Turbinenschaufeln sind daher mit Kühlkanälen bzw. Kühlkanäle
bildenden Hohlräumen durchsetzt, durch die während des
Betriebes der Anlage ein Kühlmedium, insbesondere
Kühlluft, strömt. Im Anströmbereich der
Turbinenschaufeln an deren Vorderkante sind in der Regel
zahlreiche Kühlluftbohrungen vorgesehen, durch die das
Kühlmedium vom Inneren der Schaufeln nach außen treten
kann. Auf der Oberfläche bildet sich in diesem Bereich
ein Kühlluftfilm, der die Turbinenschaufeln vor einer
zu starken Erwärmung schützt. In gleicher Weise sind
auch entsprechende Kühlluftbohrungen an der Hinterkante
der Turbinenschaufeln vorhanden.
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Das Kühlmedium wird in vielen Fällen durch einen
Teil der von der Kompressorstufe komprimierten oder an
dieser vorbeigeleiteten Luft gebildet und den
Kühlkanälen über ein oder mehrere Zufuhrkanäle zugeführt.
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Ein Problem beim Betrieb eines derartigen
Kühlsystems einer Strömungsmaschine stellt die Verstopfung
der Kühlkanäle oder Kühlluftbohrungen durch Schmutz-
oder Staubpartikel dar, die aus der Atmosphäre oder von
stromauf der Kühlkanäle gelegenen Komponenten der
Strömungsmaschine stammen können und mit dem Kühlmedium
in die Kühlkanäle eingebracht werden. Eine Verstopfung
einzelner Kühlkanäle oder Kühlluftbohrungen kann zu
einer erheblichen lokalen Temperaturbelastung der zu
kühlenden Komponente bis zu deren Beschädigung führen.
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Stand der Technik
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Zur Vermeidung oder Verminderung der
Verstopfungsgefahr ist es bekannt, Separatoren wie bspw. Zyklone
innerhalb des Kühlkreislaufs anzuordnen, die Schmutz-
oder Staubpartikel vom Kühlmedium trennen. In diesen
Separatoren werden Wirbel im Kühlmedium erzeugt, durch
die die Staub- und Schmutzpartikel aufgrund ihrer
Trägheit vom Kühlmedium abgetrennt und über eine
gesonderte Staubaustragsöffnung abtransportiert werden.
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Der Einsatz eines derartigen Separators in Form
eines Axialzyklons ist in der DE 198 34 376 A1
beschrieben. Die von der Kompressorstufe kommende
Kühlluft wird hierbei vor dem Eintritt in die erste
Leitschaufel der Turbinenstufe durch den Axialzyklon
geleitet. In dem Zyklon ist ein Drallerzeuger
ausgebildet, der einen Wirbel in der Kühlluft erzeugt,
aufgrund dessen die trägeren Staub- und Schmutzpartikel
auf die Wandung des Zyklons auftreffen und dort
abfallen. Am Boden des Zyklons werden sie über
entsprechende Austragkanäle abgezogen.
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Ein Nachteil eines derartigen Separators besteht
jedoch darin, dass er erheblichen zusätzlichen Bauraum
beansprucht, der in Strömungsmaschinen nicht in jedem
Falle zur Verfügung steht. Separatoren werden daher
häufig nur für Anwendungen eingesetzt, bei denen die
Kühlluft aus dem inneren Bereich der Strömungsmaschine
herausgeführt, außerhalb des inneren Bereiches in dem
Separator gereinigt und anschließend zur Kühlung der
entsprechenden Komponenten wieder in den inneren
Bereich zurückgeführt werden kann. Ein weiterer
Nachteil der bekannten Separatoren besteht darin, dass
sie einen beträchtlichen Druckverlust zwischen
Einlassöffnung und Auslassöffnung verursachen, der
durch die Erzeugung der Wirbelströmung hervorgerufen
wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine
Vorrichtung zur Staub- und Schmutzabscheidung in einem
strömenden Medium anzugeben, die nur geringen Bauraum
beansprucht und einen im Vergleich zu Zyklonen
verminderten Druckverlust im strömenden Medium
hervorruft.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die vorliegende Vorrichtung zur Staub- und
Schmutzabscheidung im strömenden Medium weist einen
Führungskanal auf, der sich von einer Einlassöffnung
für das Medium zu einer Auslassöffnung für das Medium
erstreckt, und zwischen der Einlass- und der
Auslassöffnung eine Krümmung aufweist. In einer äußeren
Wandung der Krümmung ist zumindest eine
Staubaustrittsöffnung ausgebildet.
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Beim Betrieb dieser Vorrichtung strömt das Medium
mit den darin enthaltenen Staub- und Schmutzpartikeln
über die Einlassöffnung in den Führungskanal. Innerhalb
der Krümmung des Führungskanals wirken Fliehkräfte auf
die Staub- und Schmutzpartikel, so dass diese sich in
der Strömung im Bereich der äußeren Wandung der
Krümmung konzentrieren. In diesem Bereich befindet sich
die Staubaustrittsöffnung, durch die der größte Teil
der in der Strömung enthaltenen Staub- und
Schmutzpartikel aufgrund der Fliehkraft ausgetragen wird. Der
Hauptanteil der Strömung des Kühlmediums, der nach
Durchlaufen der Krümmung einen deutlich geringeren
Anteil an Staub- und Schmutzpartikeln - in erster Linie
kleinere und leichtere Partikel - aufweist, wird durch
den Führungskanal zu einer Auslassöffnung gelenkt. Über
diese Auslassöffnung wird die gesäuberte Kühlluft den
zu kühlenden Komponenten zugeführt. Der für den
Staubaustrag erforderliche kleine Anteil des
Kühlmediums kann mit den darin enthaltenen Partikeln
wiederum zur Kühlung von Komponenten eingesetzt werden,
die nicht staubempfindlich sind.
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Die vorliegende Vorrichtung eignet sich
insbesondere zur Abtrennung von größeren Staub- oder
Schmutzpartikeln in der Größenordnung von ca. 100 µm
bis 5 mm aus einer Strömung, insbesondere einer
Kühlluftströmung für Gasturbinen. Aufgrund des
einfachen Aufbaus der vorliegenden Vorrichtung, die
lediglich einen entsprechenden gekrümmten Führungskanal
umfassen muss, lässt sich diese auch bei Anlagen
einsetzen, in denen wenig Bauraum zur Verfügung steht.
Weiterhin wird in dieser Vorrichtung kein starker
Wirbel gebildet, so dass der Druckverlust über die
Vorrichtung nur gering ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Vorrichtung krümmt sich der Führungskanal
um eine zentrale Kammer, in der die Auslassöffnung
angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Querschnitt dieser
Kammer nur unwesentlich größer als der Querschnitt der
Austrittsöffnung. Auf diese Weise lässt sich der zur
Verfügung stehende Bauraum optimal ausnutzen. Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die Krümmung nur in einer
Ebene verläuft. In diesem Fall ist die Austrittsöffnung
vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie den Austritt
der gereinigten Kühlluft im Wesentlichen senkrecht zu
dieser Ebene ermöglicht.
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Weiterhin kann sich an die Staubaustrittsöffnung
in tangentialer Richtung der Krümmung ein
Staubkanalabschnitt anschließen, der schließlich wiederum in eine
Staubaustragsöffnung mündet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der
vorliegenden Vorrichtung sieht vor, dass sich an die
Staubaustrittsöffnung eine Staubkammer anschließt, die
im Bereich der Eintrittsöffnung des Führungskanals
wieder in den Führungskanal mündet. Die Einmündung in
den Führungskanal ist derart angeordnet, dass dort ein
Bereich niederen Druckes vorherrscht, so dass aufgrund
der Druckdifferenz zwischen Staubaustrittsöffnung und
Einmündung in den Führungskanal automatisch eine
Strömung aufrechterhalten wird. In der Staubkammer ist
ein Staubfilter angeordnet, der die in die Staubkammer
ausgetragenen Staubpartikel aufnimmt und zurückhält.
Dieser Staubfilter muss daher den gesamten Querschnitt
der Staubkammer zwischen der Staubaustrittsöffnung und
der Einmündung in den Führungskanal ausfüllen. Als
vorteilhaftes Material für einen derartigen Staubfilter
wird ein poröser Metallschaum vorgeschlagen.
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Bei dieser Ausgestaltung werden die
Schmutzpartikel aus dem Hauptstrom des Kühlmediums ausgetragen
und im Filter zurückgehalten, während der für den
Staubaustrag erforderliche kleinere Anteil des
Kühlmediums wieder in den Kühlkreislauf zurückgeleitet
wird. Dies ist von besonderem Vorteil, da als
Kühlmedium bei Strömungsmaschinen, insbesondere bei
Gasturbinenanlagen, in der Regel komprimierte Kühlluft
eingesetzt wird, deren Verlust den Wirkungsgrad der
Anlage negativ beeinflusst.
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In einer alternativen Ausführungsform mündet die
Staubkammer nicht in den Führungskanal, sondern direkt
in die Auslassöffnung für die gereinigte Kühlluft.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung mit
Rezirkulation bzw. Rückführung der für den Staubaustrag
erforderlichen Menge an Kühlmedium besteht darin, dass
der Druckabfall zwischen dem Einlass des Kühlmediums
und der Auslassöffnung nicht wesentlich erhöht wird,
wenn der Filter verstopft ist. Eine Verstopfung des
Filters beeinflusst somit die Kühlleistung nur in
geringem Maße.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Vorrichtung zur Staub- und
Schmutzabscheidung in strömenden Medien, im Folgenden
auch Staubabscheider genannt, wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den
Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Vorrichtung im Querschnitt;
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Fig. 2 ein Beispiel für eine Anordnung der
Vorrichtung der Fig. 1 in einem Bereich
einer Strömungsmaschine;
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Fig. 3 ein zweites Beispiel einer
Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung im
Querschnitt;
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Fig. 4 ein drittes Beispiel einer
Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung im
Querschnitt; und
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Fig. 5 ein Beispiel für eine Anordnung der
Vorrichtung der Fig. 3 oder 4 in
einem Bereich einer Strömungsmaschine.
Wege zur Ausführung der Erfindung
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Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für
eine Realisierung der vorliegenden Vorrichtung im
Querschnitt. In der Figur ist der Führungskanal 1 zu
erkennen, der zwischen einer Einlassöffnung 2 für das
Kühlmedium und einer Auslassöffnung 3 einen gekrümmten
Verlauf 4 aufweist. Die Auslassöffnung 3 selbst ist in
einer zentralen Kammer 7 ausgebildet. In einer
Außenwandung 5 des gekrümmten Bereiches 4 ist eine
Austrittsöffnung 6 für Staub- oder Schmutzpartikel
vorgesehen, die in diesem Beispiel in einen
Staubkanalabschnitt 8 mündet. Am Ende dieses Staubkanalabschnitts
8 ist eine weitere Austrittsöffnung 9 für die
Staubpartikel ausgebildet. Die Austrittsöffnungen 3 für die
gereinigte Kühlluft und 9 für die Kühlluft mit
angereicherten Staubpartikeln verlaufen im vorliegenden
Beispiel senkrecht zur Zeichenebene. Die Krümmung 4
verläuft beim vorliegenden Beispiel um die zentrale
Kammer 7 mit der Auslassöffnung 3, so dass sich die
Vorrichtung sehr platzsparend realisieren lässt.
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Das Kühlmedium tritt über die Einlassöffnung 2 in
den Führungskanal 1 ein und wird über die Krümmung 4 in
die Auslassöffnung 3 gelenkt. Aufgrund dieser Krümmung
4 reichern sich Staub- und Schmutzteilchen im äußeren
Radius der Krümmung, d. h. an der äußeren Wandung 5 an
und werden über die Austragöffnung 6 im Kanalabschnitt
8 und von dort über die weitere Öffnung 9 aus dem
empfindlichen Kühlsystem geleitet.
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In Fig. 2 ist schematisch der Einsatz einer
derartigen Vorrichtung in einer Gasturbinenanlage
dargestellt. Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus
einer derartigen Anlage mit einer Leitschaufel 14,
einer Laufschaufel 15 sowie einem Leitschaufelträger
13. Auf dem Leitschaufelträger 13 ist der
Staubabscheider 12 gemäß Fig. 1 angeordnet. Die in diesen
Staubabscheider eintretende Kühlluft wird über den nach
unten gerichteten Kühlkanal 17 in ein Kühlkanalplenum
16 geleitet und von dort auf die Kühlkanalsysteme der
Leit- 14 und Laufschaufel 15 geführt. Der in dem
Staubabscheider 12 abgeschiedene Staub wird über einen
Staubaustragkanal 18 ausgetragen.
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Fig. 3 zeigt schematisch in der gleichen Ansicht
wie die Fig. 1 eine Weiterbildung der vorliegenden
Vorrichtung, bei der die Staubaustragsöffnung 6 in eine
Staubkammer 10 führt. Die Staubkammer 10 mündet im
Bereich der Einlassöffnung 2 wieder in den
Führungskanal 1. Die Einmündung ist derart ausgestaltet bzw. an
einer Stelle vorgesehen, an der der Druck geringer ist
als an der Staubaustragsöffnung 6. Auf diese Weise wird
ein kontinuierlicher Zirkulationsfluss durch die
Staubkammer 10 erreicht. Die Staubkammer 10 ist mit
einem porösen Metallschaum-Filtermaterial ausgefüllt,
in dem die Schmutz- und Staubpartikel gefangen und
zurückgehalten werden. Die hierdurch gefilterte
Kühlluft wird schließlich in den Führungskanal 1
zurückgeführt. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher
Verlust an Kühlmedium durch den Staubaustrag vermieden.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Variante einer
verbesserten Vorrichtung ähnlich der der Fig. 3. Auch
in diesem Beispiel führt die Staubaustragsöffnung 6
wiederum in eine Staubkammer 10, die von einem Filter
11 ausgefüllt ist. Die Staubkammer 10 mündet in diesem
Fall allerdings nicht in den Führungskanal 1, sondern
direkt in die Auslassöffnung 3 für die gereinigte
Kühlluft. Die hiermit erzielbaren Effekte sind die
gleichen wie bereits in Zusammenhang mit der
Ausführungsform der Fig. 3 erläutert.
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Beide Ausführungsformen haben den Vorteil
gegenüber einer konventionellen Anordnung eines Filters
in einem Zufuhrkanal für das Kühlmedium, dass der
Druckabfall zwischen dem Einlass der Kühlluft und den
Auslasskanälen nicht signifikant anwächst, wenn der
Filter durch die Staubpartikel verstopft wird.
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Fig. 5 zeigt schließlich einen Ausschnitt aus
einer Gasturbinenanlage, in der ein Staubabscheider 12
wie der der Fig. 3 oder 4 montiert ist. Die Figur
zeigt den Staubabscheider 12 auf dem
Turbinenleitschaufelträger 13, durch den eine Kühlkanalzuführung 17
verläuft. Der Staubabscheider 12 sitzt hierbei mit
seiner Austrittsöffnung 3 auf dieser Kühlkanalzuführung
17 auf, so über diese Zuführung 17 bereits gereinigte
Kühlluft in das Kühlluftplenum 16 tritt, von dem aus es
auf die Kühlkanalsysteme der Lauf- 15 und Leitschaufel
14 verteilt wird. Ein Staubaustragkanal für die
Staubpartikel ist in diesem Falle nicht mehr
erforderlich.
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Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende
Vorrichtung auch in anderer Ausgestaltung und anderer
Anordnung in einer Strömungsmaschine angebracht werden
kann.
Bezugszeichenliste
1 Führungskanal
2 Einlassöffnung
3 Auslassöffnung
4 Krümmung
5 äußere Wandung der Krümmung
6 Staubaustrittsöffnung
7 zentrale Kammer
8 Staubkanalabschnitt
9 Austrittsöffnung für Staub
10 Staubkammer
11 Staubfilter
12 Staubabscheider
13 Turbinenleitschaufelträger
14 Leitschaufel
15 Laufschaufel
16 Kühlkanalplenum
17 Kühlkanalzuführung
18 Staubaustragkanal