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Gasturbine Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einem
Verdichter, einer Brennkammer und einem mit dem Verdichter gekuppelten Turbinenrad,
wobei die vom Verdichter verdichtete Luft über einen Drehwärmetauscher zur Brennkammer
und die Abgase aus dem Turbinenrad durch den Drehwärmetauscher abströmen.
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Bei einer bekannten Bauart (USA.-Patentschrift 3077 074) wird
über eine Leitung vom Verdichter vor dem Wärmetauscher abgezweigte Luft zur Kühlung
des Turbinenrades zugeleitet. Da die Temperatur am Auslaß des Verdichters im wesentlichen
über den ganzen Betriebsbereich konstant ist, hat die Luft nach dem Warmlaufen der
Turbine eine das erforderliche Maß übersteigende Kühlfähigkeit, so daß die Kühlluft
verhältnismäßig kalt den Treibgasen der Turbine zugemischt wird, wodurch der Wirkungsgrad
der Turbine verschlechtert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Bauart bezüglich
der Kühlvorrichtung so weiter auszugestalten, daß eine besonders intensive Kühlung
der Turbinenradscheibe während der Zeit des Anlaufs der Turbine ermöglicht wird,
während die Kühlwirkung nach erfolgtem Anlaufen und damit erfolgtem Temperaturausgleich
der einzelnen Bauteile geringer sein soll.
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Es ist zwar bei Turbinen mit Rekuperativwärinetauschem bekannt, einen
Teil der vorgewärmten Luft vor der Brennkammer abzuzweigen und mit dieser das Turbinenrad
zu kühlen. Ein Rekuperativwärmetauscher hat jedoch bei gleichen Abmessungen gegenüber
einem Regenerativwärmetauscher einen wesentlich geringeren Wirkungsgrad. Bei gleichem
Wirkungsgrad würde aber ein Rekuperativwärmetauscher wesentlich größere Abmessungen
und damit mehr Material erfordern und somit langsamer ansprechen. Bei Verwendung
von Rekuperativwärmetauschern müßte daher auf einen guten Wirkungsgrad verzichtet
werden, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine ungünstig beeinflußt würde, oder aber
es würde die gestellte Aufgabe nur in äußerst unbefriedigender Weise gelöst werden,
da eine genügend enge Anpassung an die Betriebsverhältnisse beim Anlaufen nicht
erreichbar ist. Da bei der bekannten Bauart die Kühlluft füh-
renden Mäntel
die Brennkammer umgeben, wobei ein guter Wärmeübergang besteht, und da die Brennkammer
bereits kurz nach dem Anlassen die Betriebstemperatur erreicht, erfolgt eine schnelle
Aufheizung der Kühlluft, so daß diese die angestrebte Kühlwirkung zum mindesten
nicht ausreichend ausüben kann. Nachteilig ist auch die Anordnung der Eintrittsöffnungen
zu den Mänteln in der Nähe des Brenners der Brennkammer, wodurch die unerwünschte
Aufheizung der Kühlluft noch unterstützt wird.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe bei einer Gasturbine der
eingangs erwähnten Art dadurch, daß eine Leitung vorgesehen ist, die verdichtete
Luft vom Drehwärmetauscher unter Umgehung der Brennkammer dem Umfang des Turbinenrades
und den Wurzeln der Turbinenschaufeln zuleitet, wobei diese Leitung mit der Brennkammer
und den die Brenngase zum Turbinenrad führenden Leitungen nur eine so geringe Wärmeaustauschmöglichkeit
hat, daß die durch die Leitung zugeführte Kühlluft bis zum Erreichen der Betriebstemperatur
des Drehwärmetauschers im wesentlichen die Luftaustrittstemperatur am Drehwärmetauscher
beibehält. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung erfolgt die Kühlung des Turbinenrades
nur kurzzeitig nach dem Anlassen während des Hochfahrens der Turbine, und die Kühlwirkung
nimmt mit ansteigender Temperatur am Auslaß des Drehwärmetauschers ab, so daß bei
Erreichen der Betriebstemperatur des Drehwärmetauschers der durch die Kühlluft bedingte
Wirkungsgradverlust im wesentlichen vermieden ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die
die verdichtete Luft vom Drehwärmetauscher dem Turbinenrad und seinen Schaufeln
zuführende Leitung die Luft in an sich bekannter Weise als axial gerichteten Luftschleier
auf den Umfang des Turbinenrades und die Wurzeln der Turbinenschaufeln richtet.
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Bei einer Gasturbine dieser Art mit einem ringförmiaen Düsenkasten
zwischen der Brennkammer C
und dem Turbinenrad mit einer
ringförmigen Austrittsöffnung zum Turbinenrad und einer Ringwand im Düsenkasten,
die mit der Wand des Düsenkastens einen Ringraum bestimmt, ist vorgesehen, daß dieser
Ringraum die die Kühlluft dem Turbinenrad und den Turbinenradschaufeln zuführende
Leitung bildet. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Düsenkasten und die ringförmige
Wand ein Wellengehäuse für die das Turbinenrad mit dem Verdichter kuppelnde Turbinenwelle
umschließen und ein zwischen dem Wellengehäuse und der Ringwand gebildeter Ringkanal
zur an sich bekannten Zuleitung verdichteter Luft vom Verdichter zum Kühlen des
Turbinenrades unter Umgehung des Drehwärmetauschers und der Brennkammer dient.
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Bei einer anderen Ausführungsform einer Gasturbine mit einer zylindrischen
Brennkammer, deren Längsachse radial zur Turbinenwelle liegt und die am radial äußeren
Ende Brennstoffeinspritzeinrichtungen trägt, und mit einem tiommelförmigen Drehwärmetauscher,
der die Brennkammer umgibt und um eine radial zur Turbinenwelle liegende Achse drehbar
ist, ist vorgesehen, daß die ringförmige Leitung zur Zuleitung der Kühlluft zum
Turbinenrad und zu den Wurzeln der Turbinenradschaufeln im Bereich des radial inneren
Endes der Brennkammer liegt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbine nach
der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung ist F i g. 1 ein senkrechter
Teilschnitt durch eine Gasturbine, der durch die Achse der Turbine geführt ist,
und F i g. 2 ein Schnitt nach der Linie 2-2 der F i g. 1
Die Gasturbine
enthält einen nicht dargestellten Verdichter, eine Brennkammer 11 und ein
Turbinenrad 12, das den Verdichter über eine Turbinenwelle 15 antreibt. Diese
Teile bilden einen Brenngaserzeuger, der das Brenngas für eine Arbeitsturbine mit
einem Turbinenrad 17 liefert. Die Turbinenwelle 15 ist über Lager
22 in einem Wellengehäuse 23 gelagert. Das Turbinengehäuse ist durch eine
nicht dargestellte Trennwand in eine Hochdruckkammer und eine Niederdruckkammer
unterteilt. Der Verdichter fördert Luft in die Hochdruckkammer.
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Ein Drehwärmetauscher hat eine umlaufende Speichertrommel 49, die
langsam um eine senkrechte Achse umläuft und hierbei durch Dichtungen in der Trennwand
tritt. Die von dem Verdichter gelieferte Luft strömt durch den in der Hochdruckkammer
befindlichen Teil der Speichertrommel 49 und gelangt in die Brennkammer
11. Die Abgase der Arbeitsturbine treten durch den in der Niederdruckkammer
befindlichen Teil der Speichertrommel 49. Die Speichertrommel 49 besteht vorzugsweise
aus einer Metallkonstruktion, die radial durchströmbar ist, so daß sie in der Niederdruckkammer
von den Turbinenabgasen Wärme aufnimmt und diese in der Hochdruckkammer an die zur
Brennkammer 11 strömende verdichtete Luft abgibt. Die Ränder der Speichertrommel
49 sind gegen Umströmung durch Dichtungen 63 abgedichtet.
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Die Brennkammer 11 liegt im oberen Teil der Hochdruckkammer
zwischen der Speichertrommel 49 und der Trennwand. Ihre Achse liegt in senkrechter
Richtung. Das untere offene Ende der Brennkammer 11 paßt in eine kreisförmige
öffnung an der oberen Seite eines Düsenkastens 67, der einen ringförmigen
Auslaß 69 hat, durch den die Brenngase zu Turbinendüseit 70 der Verdichterturbine
ausströmt. Im oberen Teil der Brennkammer sind, nicht dargestellt, eine Brennstoffdüse
und ein Zünder vorgesehen.
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Während des Betriebes durchströmt die vom Verdichter verdichtete Luft
die Speichertrommel 49, in der sie erwärmt wird, und gelangt in die Brennkammer
11, wo sie durch Verbrennung von Brennstoff weiterhin erwärmt wird. Die Brenngase
aus der Brennkammer 11 gelangen über den Düsenkasten 67
und die Turbinendüsen
70 zu den Laufschaufeln 96
und treiben das Turbinenrad 12 an. Dieses
treibt den Verdichter. Die aus der Verdichterturbine abströmenden Brenngase treiben
dann die Arbeitsturbine 17.
Die Abgase der Arbeitsturbine 17 gelangen
in die Niederdruckkammer, in der die heißen Abgase radial nach außen durch die Speichertrommel
49 treten und über einen Auslaß ins Freie entweichen.
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Der Düsenkasten 67 ist über einen inneren Flansch
78 mit der Platte der Turbinendüsen 70 der Verdichterturbine verbunden.
Diese Platte ist ihrerseits mit einem abgesetzten Metallblechring 82 verbunden,
der an der Zwischenwand befestigt ist. Der untere Teil des Düsenkastens
67 ist durch einen Isolierkörper 86 wärmeisoliert, der in einer Metallblechhülle
88 gehaltert ist. Diese Umhüllung umgibt das im wesentlichen ringförmige
Wellengehäuse 23 mit Ab-
stand. Der obere Teil des Düsenkastens
67 weist eine kreisförmige öffnung 90 auf, in die das untere Ende
der Brennkammer 11 ragt und mit einem Flansch 92
am Düsenkasten abgestützt
ist.
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Bei einer bevorzugten Bauart sind die Laufschaufeln 96 mit
dem Turbinenrad 12 als einteiliges Gußstück ausgebildet. Die Erfindung ist aber
auch bei zusammengesetzten Turbinenrädern anwendbar.
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Der Teil des Düsenkastens 67, der das Wellengehäuse
23 unmittelbar umgibt, und der innere Teil des Isolierkörpers 86, 88
unterhalb des Wellengehäuses weisen eine trichterförinige Gestalt auf, und der im
wesentlichen ringförmige Teil 98 bestimmt die innere Wand des Kanals für
die heißen Brenngase zum Turbinenrad 12. In radialer Richtung einwärts ist zur Wand
98 eine zweite Wand 100 vorgesehen, die sich oberhalb des Wellengehäuses
23 bis zur vorderen Kante des Düsenkastens 67 erstreckt, unterhalb
des Wellengehäuses 23 jedoch eine geringere axiale Ausdehnung hat und dort
nach außen geneigt verläuft. Die vordere Kante dieser inneren Wand 100 ist
durch die gestrichelte Linie 102 angedeutet. Die hintere Kante der inneren Wand
100 erstreckt sich über die Wand 98 hinaus und liegt gegen die Turbinendüsen
70 an. Der Abstand zwischen den hinteren Kanten der Wände 98 und
100 wird durch Abstandsstücke 104, die mit Nieten 106 befestigt sind,
gewährleistet. Die beiden Wände 98 und 100 bestimmen damit einen lediglich
durch die Abstandsstücke unterbrochenen ringförinigen Kanal 110, durch den
ein Film von Kühlluft vom Drehwärmetauscher über den Umfang des Turbinenrades 12
und die Wurzeln der Turbinenschaufeln 96 geleitet wird. Diese Luft tritt
in den Kanal 110 durch eine öffnung 112 an der Vorderseite des Düsenkastens
67 in der Nähe der Speichertrommel 49 ein. Der Weg dieser Luft ist durch
die voll ausgezeichneten Pfeile in F i g. 1 angedeutet. Der Strom der Brenngase
zur Auslaßöffnung 69 des Düsenkastens 67 ist durch strichpunktierte
Pfeile angedeutet.
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Ferner wird zusätzliche Kühlluft vom Verdichter unter Umgehung der
Speichertrommel 49 und der
Brennkammer 11 durch einen ringförmigen
Kanal 120 zwischen dem Wellengehäuse 23 und dem Isolierstück 86, 88
zugeleitet. Dieser Kühlluftstrom ist in F i g. 1 durch gestrichelte Pfeile
dargestellt. Aus dem Kanal 120 gelangt die Kühlluft in eine Kammer 122 auf der Vorderseite
der Turbinendüsen 70 und tritt durch eine Anzahl kleiner Zumeßöffnungen 124
neben dem Kranz des Turbinenrades 12, fließt über den Kranz und wird schließlich
den Brenngasen durch den Spalt zwischen den Turbinendüsen 70 und dem Turbinenrad
12 zugeleitet.
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Bei normalen Betriebsbedingungen der Turbine fließt vom Verdichter
verdichtete Luft mit einer Temperatur von etwa 204' C zur Stirnseite des
Turbinenrades 12, um dieses zu kühlen. Durch die Speichertrommel 49 auf etwa
593' C erhitzte Luft strömt über den Kranz des Turbinenrades 12 und die Wurzeln
der Turbinenschaufeln. Die mengenmäßig den weitaus größten Teil darstellenden Brenngase
haben eine Temperatur von etwa 927' C und strömen durch die Turbinenschaufeln
96, wobei durch den Film der Kühlluft die heißen Brenngase zum Teil von der
Turbinenradscheibe abgeschirmt sind. Dieser Film von Kühlluft ist verhältnismäßig
kühl und erwärmt sich nur allmählich, da die Speichertrommel 49 zu Beginn
des Betriebes erst Wärme aufnehmen muß. Es tritt demzufolge eine allmähliche Erwärmung
des Kranzes des Turbinenrades 12 ein, wobei die zur Kühlung des Turbinenradkranzes
verwendete Luft genügend erwärmt wird, um im Turbinenrad zur Leistungserzeugung
nützlich zu sein, wenn die Turbine ihren normalen Betriebszustand erreicht hat.
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Versuche haben gezeigt, daß bei einer Turbine nach der Erfindung kein
schädlicher Einfluß auf den Wirkungsgrad festgestellt wurde, wenn durch die Speichertrommel
erhitzte Luft zum Kühlen des Turbinenrades verwendet wird. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß diese Luft eine verhältnismäßig hohe Temperatur aufweist.
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Der Kanal 110, durch den Kühlluft dem Turbinenradkranz zugeleitet
wird, muß nicht notwendigerweise ringförmig sein, obwohl dies zweckmäßig ist. Die
Kühlluft kann auch über nur einen Teil des Umfangs des Turbinenrades zugeführt werden.
Infolge des schnellen Umlaufs des Turbinenrades erfolgt seine Kühlung durch Mitteltemperatur
der Gase längs des Umfangs, so daß die Zuteilung von Kühlluft über einen Teil des
Umfangs eine proportionale Kühlwirkung auslöst.
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Bei der Turbine gemäß dem Ausführungsbeispiel beträgt der Anteil der
unmittelbar vom Verdichter zur Stirnfläche des Turbinenrades durch die Zumeßöffnungen
124 zugeführten Kühlluft weniger als 1 % der gesamten Durchströmmenge. Die
über den Kanal 110 von der Speichertrommel 49 zugeführte Kühlluft beträgt
etwa 8 1/o der gesamten Durchströmmenge.
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Diese Zahlen können natürlich abgewandelt werden und unterliegen der
Wahl des Konstrukteurs, um der jeweils zu entwerfenden Turbine eine bestmögliche
Kühlung zu geben.