DE19533945A1 - Komponente einer Gasturbine mit innerem Kühlkanal sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Komponente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Komponente in einer Gasturbine, welche Komponente betrieblich von einem hoch verdichteten und hoch erhitzten Strom eines Gases umströmt ist und einen inne­ ren Kühlkanal aufweist, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Komponente.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Komponente nach Art einer Brennkammer oder einer Leitschaufel einer Gas­ turbine, welche betrieblich einem Strom eines Gases ausge­ setzt ist, der unter einem Druck in der Größenordnung von 10⁶ Pascal bis 10⁷ Pascal steht und eine Temperatur hat, die 1.000° C oder mehr, insbesondere 1.400° C, beträgt. Es geht dabei insbesondere um eine Komponente, die einem Strom ausge­ setzt ist, dessen Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Werkstoffes, aus dem die Komponente hergestellt ist, liegt.

Eine solche mponente bedarf der Kühlung, um nicht in kurzer Zeit zerstört zu werden, und hat dazu einen inneren Kühlka­ nal, um mittels eines Kühlfluides, insbesondere eines Kühlga­ ses, gekühlt zu werden.

Für Komponenten in Form von Brennkammern, Gasführungssystemen und Turbinenschaufeln, seien es feststehende Leitschaufeln oder im Betrieb umlaufende Laufschaufeln, besteht eine viel­ fach praktisch realisierte Kühlung darin, daß entsprechend hochverdichtete Kühlluft zugeführt wird, die die Komponente durch einen Kühlkanal durchströmt, dabei ausreichend kühlt und anschließend in den die Komponente umströmenden Strom ei­ nes heißen Gases entlassen wird. Als Kühlluft verwendet wird in der Regel ein Teil der zum Betrieb der Gasturbine bereit­ gestellten verdichteten Luft.

Eine Gasturbine üblicher Bauart besteht aus einem Verdichter­ teil in Form eines Turboverdichters, einem Verbrennungsteil mit zumindest einer Brennkammer der bereits erwähnten Art und einem Turbinenteil, welcher die eigentliche Gasturbine dar­ stellt und in dem der von dem Verdichterteil bereitgestellte und in dem Verbrennungsteil hoch erhitzte, hoch verdichtete Strom unter Freisetzung mechanischer Arbeit entspannt wird. Die freigesetzte mechanische Arbeit dient teilweise zum An­ trieb des Turboverdichters und steht im übrigen zu jedwedem gewünschten praktischen Zweck zur Verfügung, insbesondere zum Antrieb einer weiteren Maschine, beispielsweise eines dy­ namoelektrischen Turbogenerators. Sowohl der Verdichterteil als auch der Turbinenteil können mehrteilig ausgeführt sein, und es müssen nicht unbedingt alle Teile eines Verdichtertei­ les bzw. eines Turbinenteiles auf einer einzigen Turbinen­ welle sitzen. Einzelheiten hierzu sind auf dem Fachgebiet ge­ läufig.

Weiterentwickelte Verfahren und Einrichtungen zur Kühlung thermisch hoch belasteter Komponenten von Gasturbinen gehen hervor aus der EP 0 563 553 A1, dem US-Patent 5 318 404 und dem US-Patent 5 320 483.

Das erstgenannte Dokument betrifft eine relativ komplex auf­ gebaute Gasturbine mit einem zweiteiligen Turbinenteil, um­ fassend einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine, wobei die Hochdruckturbine vor der Niederdruckturbine durch­ strömt wird. Zur Kühlung von Leitschaufeln in dem Turbinen­ teil wird als Kühlgas ein Strom verdichteter Luft bereitge­ stellt. Dieser durchfließt zunächst Leitschaufeln in der Hochdruckturbine, ohne aus diesen Leitschaufeln in den diese umströmenden Strom entlassen zu werden, und gelangt anschlie­ ßend zu Leitschaufeln der Niederdruckturbine, aus denen er, insoweit gemäß möglicher Praxis, in den die Leitschaufeln um­ strömenden, entspannt werdenden Strom entlassen wird. Auch die Brennkammer der dargestellten Gasturbine ist kühlbar; Kühlgas, welches die Brennkammer kühlt, wird wahlweise nicht dem im Turbinenteil zu entspannenden Strom hoch erhitzten Ga­ ses beigemischt, sondern gelangt aus der Brennkammer zu Kom­ ponenten in der Niederdruckturbine.

Das zweitgenannte Dokument betrifft die Kühlung von Lauf­ schaufeln eines Turbinenteils einer Gasturbine mit Dampf, welcher aus einem externen Dampferzeuger bereitgestellt wird. Das Dokument beschreibt eingehend eine Möglichkeit, wie der Dampf aus dem feststehenden Dampferzeuger den betrieblich um­ laufenden Laufschaufeln zugeführt und, ohne daß er zu dem die Laufschaufeln umströmenden Strom gelangt oder anderweitig verlorengeht, wieder aus den Laufschaufeln abgeleitet werden kann.

Das drittgenannte Dokument betrifft schließlich die Kühlung von Leitschaufeln in einem Turbinenteil einer Gasturbine, wo­ bei zur Kühlung Dampf und Luft parallel zum Einsatz kommen. Eine solcherart zu kühlende Leitschaufel besitzt eine ent­ sprechende Mehrzahl von Kühlkanälen; der Dampf wird, nachdem er eine Leitschaufel gekühlt hat, wieder vollständig abge­ führt, und die Luft gelangt nach Kühlung der Leitschaufel in den diese umströmenden, entspannt werdenden Strom.

Beide letztgenannten Dokumente betrachten insbesondere eine Gasturbine, die in einem Verbund mit einer Dampfturbine ar­ beitet, wobei das aus der Gasturbine entlassene Abgas einen Dampferzeuger beheizt und der Dampferzeuger Dampf zum Betrieb der Dampfturbine liefert. Eine solche Art des Einsatzes einer Gasturbine hat derzeit eine besondere Bedeutung.

Ein Problem, das bei herkömmlichen, Luft als Kühlgas benut­ zenden Kühlsystemen für Komponenten von Gasturbinen auftritt, ist die bei der Einmischung des Kühlgases in den zu entspan­ nenden Strom eintretende Absenkung der Temperatur dieses Stromes. Da für ein übliches Kühlsystem die Bereitstellung des Kühlgases mit hohem Druck, entsprechend dem Druck des in der Brennkammer erhitzten und dem Turbinenteil zugeführten zu entspannenden Stromes zuzüglich aller bei der Führung des Kühlgases auftretenden Druckgefälle, muß das Kühlgas von der vom Verdichterteil verdichteten Luft abgezweigt werden. Bei der Kühlung der zu kühlenden Komponenten heizt sich das Kühl­ gas allerdings nicht sehr hoch auf; es wird eine Temperatur­ erhöhung um 100° C bis 200° C erreicht. Da der Strom im Ver­ brennungsteil um bis zu 1.000° C erhitzt wird, womöglich so­ gar noch mehr, und da der Anteil des hinter dem Verdichter­ teil abgezweigten Kühlgases durchaus 10% der insgesamt be­ reitgestellten Luft beträgt, ist die Abkühlung des Stromes bei der Zumischung des Kühlgases beträchtlich. Um diesem Nachteil abzuhelfen, wird bei der Auslegung und Herstellung der zu kühlenden Komponenten ein hoher Aufwand betrieben; Kühlkanäle werden in komplizierten Formen und Anordnungen ausgeführt, um turbulente Strömungen und große Strömungsge­ schwindigkeiten zu erreichen und so bei gegebener Kühlluft­ menge die Kühlwirkung zu maximieren. Unter Umständen kann aus einer derartigen Turbinenschaufel die Kühlluft allerdings in Form eines Strahles austreten, der eine Inhomogenisierung der Verteilungen von Geschwindigkeit und Temperatur in dem Strom verursacht und damit wiederum thermodynamische Verluste mit sich bringt.

Auch die Tatsache, daß Strukturen einer Brennkammer einer mo­ dernen Hochtemperatur-Gasturbine der Kühlung bedürfen, bringt spezifische Probleme mit sich. Inzwischen ist das am Eintritt des Turbinenteiles einer modernen Gasturbine erreichte Tempe­ raturniveau so hoch, daß die Vermeidung der Bildung von Stickoxiden ein wesentliches Problem darstellt. Zwischen Stickoxiden sowie den Komponenten, also Sauerstoff und Stick­ stoff, besteht ein thermodynamisches Gleichgewicht, welches sich mit steigender Temperatur zu den Stickoxiden verlagert. Um eine dadurch bedingte Bildung von Stickoxiden auszuschlie­ ßen, muß in einem Verbrennungsteil einer Gasturbine dafür ge­ sorgt werden, daß lokale Temperaturspitzen, an denen Tempera­ turen von 1.600° C und darüber auftreten können, vermieden werden. Aus diesem Grunde werden in der Regel Vormischbrenner benutzt, um den benötigten Brennstoffin der verdichteten Luft zu verteilen und zu verbrennen. In solchen Brennern wird der zugeführte Brennstoff zunächst intensiv mit der zugeführ­ ten Verbrennungsluft vermischt und dann erst entzündet. Da­ durch verläuft die eigentliche Verbrennung auf einer niedri­ geren Temperatur als in einer Diffusionsflamme, die sich aus­ bildet, wenn der Brennstoff einfach in die Luft eingedüst wird. Je magerer das Gemisch zwischen dem Brennstoff und der verdichteten Luft ist, um so niedriger ist das Temperaturni­ veau. Je weniger verdichtete Luft eine Brennkammer also zu ihrer Kühlung bedarf, um so mehr verdichtete Luft steht zur Verfügung, um mit dem Brennstoff vorgemischt zu werden; dem­ entsprechend kann das zu bildende Gemisch aus Brennstoff und Luft magerer und das Temperaturniveau bei der Verbrennung niedriger gehalten werden.

Auf der Grundlage all dieser Erwägungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zur Kühlung einer von einem hoch verdichteten und hoch erhitzten Strom eines Gases umströmten Komponente der eingangs genannten Art anzugeben. Es soll auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kompo­ nente angegeben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird eine Komponente in einer Gasturbine, welche Komponente betrieblich von einem hoch verdichteten und hoch erhitzten Strom eines Gases um­ strömt ist und einen inneren Kühlkanal aufweist, welche ge­ kennzeichnet ist durch ein zugeordnetes Gebläse, durch wel­ ches der Kühlkanal zur Kühlung der Komponente mit gering ver­ dichtetem Kühlgas beaufschlagbar ist, und eine zugeordnete Ableitung, durch die das Kühlgas aus dem Kühlkanal unmittel­ bar einer Drucksenke der Gasturbine zuführbar ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Kühlung einer hochbelasteten Kom­ ponente einer Gasturbine mit einem Kühlgas, welches lediglich unter einem vergleichsweise geringem Druck steht und welches zu seiner Bereitstellung nicht eine hohe Kompressionsarbeit fordert, wie dies der Fall ist bei der Luft, die für den thermodynamischen Prozeß in der Gasturbine bereitgestellt werden muß. In Anwendung der Erfindung ist es nicht mehr er­ forderlich, von der hoch komprimierten Luft einen Teil abzu­ nehmen, um damit entsprechend belastete Komponenten zu küh­ len. Natürlich ist es weiterhin denkbar und unter Umständen vorteilhaft, Luft aus einem Kompressor eines Turboverdichters abzuzapfen und als Kühlgas zu benutzen; die Abzapfung kann freilich aus einer Vorstufe des Verdichters erfolgen, wo die zur Kompression aufgewendete Arbeit noch gering ist. Für den Turboverdichter bedeutet dies durchaus eine Vereinfachung, da er die zur Kühlung bestimmte Luft nicht mehr von seinem Ein­ laß zu seinem Auslaß, sondern lediglich noch von seinem Ein­ laß bis zu einer Anzapfung bewältigen muß.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, daß das Kühlgas nicht mehr aus der Komponente in den diese um­ strömenden, hoch erhitzten Strom entlassen wird, so daß die dadurch bewirkte und bisher in der Regel in Kauf zu nehmende Abkühlung des Stromes vermieden wird. Auch entfällt die bis­ her in Kauf zu nehmende Beeinträchtigung des Stromes durch strahlenförmig in diesen eintretendes Kühlgas.

Die Abdichtung des gesamten Systems, in dem das Kühlgas ge­ führt wird, muß selbstverständlich besonders sorgfältig aus­ gelegt werden, da eine Undichtigkeit dazu führen kann, daß hoch erhitztes Gas aus dem Strom in das System eindringt, wo­ durch große Schäden verursacht werden können. Die hierzu er­ forderlichen Lehren und Mittel sind dem Fachmann geläufig, vergleiche insbesondere die zitierten Dokumente des Standes der Technik. Eine im Hinblick auf diese Erwägungen besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung wird weiter unten be­ schrieben.

Wie bereits erwähnt, ist das der Komponente zugeordnete Ge­ bläse zur Beaufschlagung der Komponente mit Kühlgas eine An­ zapfung in einem zu der Gasturbine gehörigen Turboverdichter.

Die der Komponente zugeordnete Drucksenke, in die das Kühlgas aus dem Kühlkanal zugeführt werden soll, ist vorzugsweise ein zu der Gasturbine gehöriger Abgaskanal. In diesem Zusammen­ hang kann je nach der Temperatur, die das Kühlgas im Kühlka­ nal der Komponente angenommen hat und der Temperatur, mit der der den Turbinenteil der Gasturbine verlassende Strom in den Abgaskanal gelangt, ein weiterer Vorteil erschlossen werden, welcher besteht in einer Umkehrung des bei einer Kühlung im herkömmlichen Sinn auftretenden thermodynamischen Verlustes in einen thermodynamischen Gewinn. Wie bereits erläutert, muß bei einer herkömmlichen Kühlung das Kühlgas eine deutlich ge­ ringere Temperatur als der die zu kühlende Komponente umströ­ mende Strom haben. Es ist jedoch durchaus denkbar, daß das Kühlgas während der Kühlung eine Temperatur annimmt, die hö­ her liegt als die Temperatur des Stromes, nachdem dieser in dem Turbinenteil der Gasturbine entspannt und abgekühlt wurde. Es ist dann möglich, den Strom in dem Abgaskanal durch Zuführung des Kühlgases aufzuheizen, womit insbesondere die Wirkung eines Dampferzeugers, der in dem Abgaskanal liegt, verbessert würde. Dieser Dampferzeuger kann nämlich die durch die Beimischung des Kühlgases erzielte Temperaturerhöhung weitergeben an den erzeugten Dampf, und dadurch kann der thermodynamische Wirkungsgrad eines thermo-dynamischen Pro­ zesses, in welchem der Dampf entspannt wird, erhöht werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn die Gasturbine mit einer Dampfturbine kombiniert ist, wobei das Abgas der Gas­ turbine zur Bereitstellung des Dampfes, der in der Dampftur­ bine entspannt wird, herangezogen wird.

Wie bereits gesagt, ist an die Dichtigkeit des gesamten Sy­ stemes, in welchem das Kühlgas geführt wird, ein hoher Anspruch zu stellen, da das Eindringen von heißem Gas aus dem Strom in das System verhindert werden muß. Um eine eventuelle Undichtigkeit aufzudecken, ist vorzugsweise ein Mittel zur Einspeisung eines Spurenstoffes in den Strom, bevor dieser die Komponente umströmt, sowie ein Sensor zum Nachweis des Spurenstoffes in der Drucksenke vorgesehen. Dieser Sensor ist insbesondere angeschlossen an eine Alarmeinrichtung und löst einen Alarm aus, wenn er den Spurenstoff in der Drucksenke nachweist. Der Sensor ist insbesondere angeordnet in der zu der Drucksenke führenden Ableitung.

Die Möglichkeit zur Überwachung des Systems unter Benutzung eines Spurenstoffes ergibt sich als Besonderheit der Erfin­ dung, da sie ein geschlossenes Kühlsystem voraussetzt. Der Spurenstoff muß nicht unbedingt eine separat in den Strom eingeführte Chemikalie sein; im Rahmen der als wichtigsten betrachteten Anwendung der Erfindung, bei der der Strom ein Rauchgas ist, in welchem eine Verbrennung stattgefunden hat, kann als Spurenstoff ein typisches Verbrennungsprodukt, bei­ spielsweise Kohlendioxid, benutzt werden. Kohlendioxid kommt zwar auch in gewöhnlicher Luft vor, allerdings nur zu einem sehr geringen Anteil. In einem Rauchgas muß der Anteil des Kohlendioxids um mehrere Zehnerpotenzen höher liegen, was mit einem Sensor und unter Benutzung eines geeigneten Diskrimina­ tors problemlos festgestellt werden kann.

Für die Anwendung der Erfindung von besonderer Bedeutung ist eine Komponente in Form eines Teils einer Brennkammer der Gasturbine. Eine Brennkammer enthält stets Komponenten, die der bei der Verbrennung eines Brennstoffes in hoch verdichte­ ter Luft entstehenden Wärme unmittelbar ausgesetzt sind und entsprechender Kühlung bedürfen. Für derartige Komponenten, insbesondere Hitzeschildelemente oder Hitzeschilde, Flamm­ rohre und dergleichen, eignet sich die Erfindung in besonde­ rer Weise. Eine solche Komponente ist insbesondere ausgeführt als zweischaliges, druckdichtes und den Kühlkanal umschlie­ ßendes Bauteil.

Eine weitere Komponente, die für die Anwendung der Erfindung besonders in Betracht kommt, ist eine Leitschaufel in einem Turbinenteil der Gasturbine, insbesondere eine Leitschaufel an einem Einlaß des Turbinenteils. Eine solche Leitschaufel wird ebenso wie eine Komponente in einer Brennkammer dem Strom ausgesetzt, wenn dieser seine maximal mögliche Tempera­ tur hat. Es ergeben sich somit dieselben Kühlungsprobleme wie in der Brennkammer, und sie können mit denselben Mitteln wie in der Brennkammer bekämpft werden.

Eine kühlbare Komponente in Form einer Leitschaufel gehört insbesondere zu einer Vielzahl gleichartiger solcher Kompo­ nenten, wobei die Komponenten eine Mehrzahl von Leitschaufelkränzen in dem Turbinenteil bilden, welche be­ trieblich von dem Strom entlang einer Strömungsrichtung nach­ einander umströmt werden, und wobei die Kühlkanäle von zu verschiedenen Leitschaufelkränzen gehörigen Komponenten in Reihe geschaltet sind und betrieblich in einer Richtung ent­ gegen der Strömungsrichtung von dem Kühlgas durchströmt wer­ den.

Das zuletzt genannte Teilmerkmal, nämlich die Durchströmung der Leitschaufelkränze im Gegenstrom zu dem Strom, ist von besonders hoher Bedeutung dann, wenn das Kühlgas in einem thermodynamischen Prozeß eingespeist werden soll, denn auf diese Weise wird die Aufheizung des Kühlgases maximiert. Ein mit dieser Ausgestaltung immer verbundener Vorteil liegt darin, daß die Temperaturdifferenzen zwischen dem Strom und dem Kühlgas an jeder Komponente des Satzes so gering wie mög­ lich bleiben, denn bei der gewählten Konfiguration steigt die Temperatur des Kühlgases mit der Temperatur des Stromes, wel­ cher die Komponenten des Satzes umströmt, und es werden ex­ treme Temperaturdifferenzen zwischen dem Kühlgas und dem Strom vermieden.

Zur Lösung der auf ein Verfahren bezogenen Aufgabe wird ein Verfahren zum Betrieb in einer Komponente in einer Gasturbine angegeben, wobei die Komponente von einem hoch verdichteten und hoch erhitzten Strom eines Gases umströmt sowie durch ei­ nen inneren Kühlkanal von einem Kühlgas durchströmt wird, wo­ bei der Kühlkanal aus einem Gebläse mit dem Kühlgas beauf­ schlagt und das Kühlgas aus dem Kühlkanal unmittelbar einer Drucksenke der Gasturbine zugeführt wird.

Wesentliche Vorteiler dieses Verfahrens erschließen sich aus den vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Kompo­ nente. Von einer Wiederholung dieser Vorteile daher abgese­ hen.

Das Kühlgas ist, wie auch vorstehend bereits erläutert, vor­ zugsweise Luft, und diese Luft wird weiterhin vorzugsweise von einer insoweit als Gebläse arbeitenden Anzapfung eines zu der Gasturbine gehörigen Turboverdichters abgezweigt.

Das Kühlgas wird ebenfalls vorzugsweise in einen insoweit als Drucksenke arbeitenden Abgaskanal der Gasturbine abgeleitet. Durch den in diesem Abgaskanal herrschenden Druck ist unter Berücksichtigung aller Druckverluste, die in dem System zur Führung des Kühlgases auftreten, der Druck im Kühlkanal der Komponente definiert. Dieser Druck wird regelmäßig nur wenig über dem Druck in dem Abgaskanal liegen und damit deutlich geringer sein als der Druck in dem Strom, welcher die Kompo­ nente umströmt.

Um kontrollieren zu können, daß kein heißes Gas aus dem Strom in den Kühlkanal gelangt und der Kühlkanal in der Komponente dicht ist, wird der die Komponente umströmende Strom vorzugs­ weise mit einem Spurenstoff versetzt, und das aus der Kompo­ nente der Drucksenke gelangende Kühlgas wird auf ein Vorhan­ densein des Spurenstoffes untersucht. Die Versetzung des Stromes mit dem Spurenstoff erfolgt vorzugsweise derart, daß in dem Strom eine Verbrennung bewirkt wird, bevor oder wäh­ rend er die Komponente umströmt. Als Spurenstoff wird dabei ein bei der Verbrennung entstehendes Produkt, beispielsweise Wasser oder Kohlendioxid, verwendet.

Der Nachweis des Spurenstoffes in dem Kühlgas zeigt an, daß es eine Undichtigkeit gibt, durch welche heißes Gas aus dem Strom in das Kühlgas eindringen kann, beispielweise an einem Riß oder dergleichen. In einem solchen Fall wird regelmäßig eine Abschaltung der Gasturbine erforderlich sein, um zu ver­ hindern, daß die schadhafte Komponente versagt und durch Ein­ wirkung heißen Gases aus dem Strom zerstört wird.

Gegebenenfalls können mehrere Sensoren zum Nachweis des Spu­ renstoffes verwendet werden, um durch Auswertung von Meßwer­ ten mehrerer Sensoren auf den Ort, an dem sich eine schad­ hafte Komponente befindet, schließen zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist der Klarheit halber teilweise schematisiert und/oder verzerrt ausgeführt und er­ hebt in keinem Fall den Anspruch der Maßstäblichkeit. Im ein­ zelnen zeigen:

Fig. 1 eine Gasturbine mit nachgeschaltetem Dampferzeuger, eingerichtet zur Kühlung bestimmter Komponenten im Sinne der Erfindung;

Fig. 2 eine Skizze eines Turboverdichters mit einer Möglich­ keit zur Abzapfung von Gas aus einer Verdichterstufe;

Fig. 3 eine Skizze eines Turbinenteils einer Gasturbine mit Leitschaufeln, die kühlbar sind;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine kühlbare Brennkammer.

Fig. 1 zeigt eine Gasturbine 1, 2, 3, bestehend aus einem Verdichterteil 1, einem Verbrennungsteil 2 und einem Turbi­ nenteil 3. Der Verdichterteil 1 und der Turbinenteil 3 sind gemäß üblicher Praxis mechanisch gekuppelt, so daß der Ver­ dichterteil 1 von dem Turbinenteil 3 angetrieben werden kann. Diese mechanische Kupplung ist der Übersicht halber nicht dargestellt; es kommt im übrigen im vorliegenden Zusammenhang auf das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer solchen Kupplung nicht an. Der Turbinenteil 3 kann außerdem mit einer weiteren Maschine verkuppelt sein, um diese weitere Maschine ebenfalls anzutreiben. Wichtig ist im vorliegenden Zusammen­ hang die Wirkverbindung, gemäß der der Verdichterteil 1 einen Strom 4 hoch verdichteter Luft liefert, welcher in einem Ver­ brennungsteil 2 durch Verbrennen eines Brennstoffes (Einzelheiten sind der Übersicht halber nicht dargestellt) hoch erhitzt und anschließend in dem Turbinenteil 3 unter Ab­ gabe mechanischer Arbeit entspannt wird.

Hinter dem Turbinenteil 3 gelangt der Strom 4 in einen Abgas­ kanal und durchströmt dort einen Dampferzeuger 5 sowie einen Kamin 6, aus welchem er in die Umwelt entlassen wird. Zur Kühlung bestimmter Komponenten 7, 8 des Verbrennungsteils 2 bzw. des Turbinenteils 3, welche von dem hoch erhitzten und hoch verdichteten Strom 4 umströmt werden und welche in Fig. 1 lediglich summarisch als Wärmetauschstrukturen dargestellt sind, wird dem Verdichterteil 1 aus einer Anzapfung 9 ver­ gleichsweise gering verdichtete Luft entnommen, welche den Komponenten 7 und 8 zwecks Kühlung zufließt und welche nach Durchströmung dieser Komponenten 7, 8 über entsprechende Ab­ leitungen 10, 11 und 12 unmittelbar einer Drucksenke 5, 6 der Gasturbine 1, 2, 3, nämlich dem Abgaskanal 5, 6, zugeführt wird. Auf diese Weise bleibt der Druck in den Komponenten 7 und 8 deutlich geringer als der Druck in dem Strom 4. Dies hat einerseits den Vorteil, daß die zur Bereitstellung des Kühlgases aufzuwendende Arbeit gegenüber herkömmlicher Praxis deutlich verringert ist; es hat jedoch den Nachteil, daß das gesamte System 7, 8, 9, 10, 11, 12 zur Führung des Kühlgases gegen Strom 4 abgedichtet sein muß. Kommt es zu einem Riß in einer der Komponenten 7 oder 8, so kann hoch erhitztes Gas aus dem Strom 4 in die Komponente 7 oder 8 eindringen und diese in kurzer Zeit beeinträchtigen, womöglich zerstören. Dementsprechend ist jeder Komponente 7, 8 in einer zugehöri­ gen Ableitung 10 bzw. 11 ein Sensor 13 zugeordnet, mit dem das Vorhandensein eines Spurenstoffes, mit dem der Strom 4 vor oder während des Umströmens der Komponenten 7 und 8 versetzt wurde, in dem Kühlgas feststellbar ist. Dieser Spurenstoff ist vorzugsweise ein Produkt, welches sich bei der in dem Verbrennungsteil 2 ablaufenden Verbrennung ergibt; es ist jedoch auch durchaus denkbar, den Strom 4 vor oder in dem Verbrennungsteil 2 mit einem besonderen, eigens ausge­ wählten und bereitgestellten Spurenstoff zu versetzen. Meldet jedenfalls einer der Sensoren 13 das Vorhandensein des Spu­ renstoffes, so kann sofort ein Alarm ausgelöst und die Gas­ turbine 1, 2, 3 stillgesetzt werden. Da jeder Komponente 7 bzw. 8 jeweils fuhr sich ein Sensor 13 zugeordnet ist, kann aus der Tatsache, welcher der Sensoren 13 einen Alarm ausge­ löst hat, auch geschlossen werden, bei welcher Komponente 7 oder 8 ein Schaden vorliegen muß.

Fig. 2 zeigt einen Verdichterteil 1, nämlich einen Turbover­ dichter 1, welcher zwischen seinem Einlaß 14 und seinem Aus­ laß 15 eine Anzapfung 9 aufweist, aus welcher ein Teil der insgesamt in den Einlaß 14 eingetretenen Luft abgeleitet wer­ den kann, bevor dieser den Auslaß 15 erreicht. Solcherart ab­ geleitete Luft ist geeignet, um in der Anordnung gemäß Fig. 1 als Kühlgas eingesetzt zu werden. Der Turboverdichter 1 hat einen drehbaren Rotor 16, auf welchem betrieblich umlaufende Laufschaufeln 17 angebracht sind. Zwischen die Laufschaufeln 17 ragen Leitschaufeln 18, welche an feststehenden Außenge­ häuseteilen 19 und 20 befestigt sind. Die beiden Außengehäu­ seteile 19 und 20 überragen einander teilweise, wobei das vordere Außengehäuse 19 das hintere hintere Außengehäuse 20 konzentrisch umgibt unter Freilassung eines Spaltes 9, wel­ cher die Anzapfung 9 bildet. Aus der ersten Stufe des Ver­ dichters, gebildet mit den am weitesten links angeordneten Laufschaufeln 17 und Leitschaufeln 18, gelangt ein Teil der insgesamt geförderten Luft in diesen Spalt 9 und kann von dort abgeführt werden. Die erste Verdichterstufe wirkt in diesem Sinne als Gebläse.

Fig. 3 zeigt ein Turbinenteil 3 mit Leitschaufeln 8, die im Sinne der vorstehenden Ausführungen kühlbar sind, indem ein Kühlgasstrom 21 durch Kühlkanäle 22 in diesen Leitschaufeln 8 geleitet wird. Die Leitschaufeln 8 sind in herkömmlicher Weise gruppiert zu Kränzen von Leitschaufeln 8, zwischen de­ nen sich Kränze von Laufschaufeln 23 befinden. Jede Lauf­ schaufel 23 ist fixiert auf einen drehbaren Rotor 24. Die Leitschaufeln 8 sind aufgehängt in einem Außengehäuse 25, und Bohrungen 26 in diesem Außengehäuse 25 dienen der Zuführung bzw. Abführung des Kühlgases. Alle dargestellten Leitschau­ feln 8 sind bezüglich einer Richtung, in der der Turbinenteil 3 von dem Strom 4 durchflossen wird, hintereinander angeord­ net, und sie werden nacheinander von dem Strom 21 des Kühlga­ ses durchströmt. Das Kühlgas strömt dabei dem Strom 4 entge­ gen, so daß die am weitestens links angeordnete Leitschaufel 8, welche zuerst von dem Strom 4 erreicht wird und damit am höchsten thermisch belastet ist, von dem Kühlgas erst erreicht wird, wenn dieses sich in den anderen Leitschaufeln 8 erwärmt hat. Erfahrungsgemäß ist die Aufwärmung des Kühlgases im Turbinenteil 3 nicht sehr hoch, so daß die Kühlwirkung beim Durchfließen der Kühlkanäle 22 keinerlei wesentliche Beeinträchtigung erfährt; da jedoch die am höchsten thermisch belastete Leitschaufel 8 das wärmste Kühlgas erhält, werden die Wärmespannungen in dieser Leitschaufel 8 so gering wie möglich gehalten, was der Halt­ barkeit der Leitschaufeln 8 entgegenkommt. Analoge Erwägungen gelten für alle anderen dargestellten Leitschaufeln 8. Beachtlich ist auch, daß bei dieser Hintereinanderschaltung der Kühlkanäle 22 die Aufheizung des Kühlgases maximiert wird; dies kann von Bedeutung sein, wenn das Kühlgas mit dem Abgas der Gasturbine in einen Dampferzeuger gelangt. Derart ist es nämlich möglich, durch Zumischen des Kühlgases zu dem Abgas der Gasturbine einen thermodynamischen Vorteil zu erzielen, wie bereits eingehend erläutert wurde.

Fig. 4 zeigt eine Brennkammer 7 als Bestandteil des Verbren­ nungsteils 2 einer Gasturbine, welche ebenfalls in erwähnter Weise kühlbar ist. Die Brennkammer 7 hat ein aus einer äuße­ ren Schale 27 und einer inneren Schale 28 gebildetes Gehäuse, wobei die äußere Schale 27 und die innere Schale 28 einen Kühlkanal 29 zwischen sich einschließen. Diesem Kühlkanal 29 wird, wie ausführlich erläutert, über ein Gebläse 9 ein Strom 21 gering verdichteten Kühlgases zugeführt, und dieser Strom 21 gelangt hinter dem Kühlkanal 29 unmittelbar in eine Druck­ senke der Gasturbine und dort in den Kamin 6. Einzelheiten zur Geometrie der Brennkammer 7 sind nicht dargestellt, da es auf solche Einzelheiten im vorliegenden Zusammenhang nicht ankommt. Die Brennkammer 7 kann sowohl eine großvolumige Si­ lo-Brennkammer sein, die als Einzelbrennkammer oder zusammen mit einer anderen, gleichartigen Brennkammer den Verbren­ nungsteil 2 einer Gasturbine bildet, sie kann auch eine Ring­ brennkammer sein, welche einen Rotor in einer Gasturbine, welcher den Turbinenteil mit dem Verdichterteil verbindet, kreisringförmig umgibt. Der Strom 4 gelangt in die Brennkam­ mer 7 durch einen Brenner 30, welcher im Regelfall einer von vielen in der Brennkammer 7 installierten Brennern 30 sein wird. In dem Brenner 30 wird der Strom 4 mit Brennstoff gemischt, und dieses Gemisch wird entzündet, um in der Brenn­ kammer zu verbrennen.

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine thermisch hoch belastete Komponente einer Gasturbine, welches wesentliche Nachteile herkömmlicher Kühlsysteme vermeidet und welches thermische Energie, die von dem Kühlsystem aus der gekühlten Komponente ausgekoppelt wird, einer vorteilhaften Nutzung zu­ führen kann.

Claims (17)

1. Komponente (7, 8) in einer Gasturbine (1, 2, 3), welche Komponente (7, 8) betrieblich von einem hoch verdichteten und hoch erhitzten Strom (4) eines Gases umströmt ist und einen inneren Kühlkanal (22, 19) aufweist, gekennzeichnet durch ein zugeordnetes Gebläse (9), durch welches der Kühlkanal (22, 19) zur Kühlung der Komponente (7, 8) mit gering verdichtetem Kühlgas beaufschlagbar ist, und eine zugeordnete Ableitung (10, 11, 12), durch die das Kühlgas aus dem Kühlkanal (22, 19) unmittelbar einer Drucksenke (5, 6) der Gasturbine (1, 2, 3) zuführbar ist.

2. Komponente (7, 8) nach Anspruch 1, deren zugeordnetes Gebläse eine Anzapfung (9) in einem zu der Gasturbine (1, 2, 3) gehörigen Turboverdichter (1) ist.

3. Komponente (7, 8) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Drucksenke (5, 6) ein zu der Gasturbine (1, 2, 3) gehöriger Abgaskanal (5, 6) ist.

4. Komponente (7, 8) nach Anspruch 3, bei der der Abgaskanal (5, 6) durch einen Dampferzeuger (5) führt.

5. Komponente (7, 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ein Mittel (2) zur Einspeisung eines Spurenstoffes in den Strom (4), bevor dieser die Komponente (7, 8) umströmt, sowie ein Sensor (13) zum Nachweis des Spurenstoffes in der Drucksenke (5, 6) zugeordnet ist.

6. Komponente (7, 8) nach Anspruch 5, bei der der Sensor (13) einen Alarm auslöst, wenn er den Spurenstoff in der Drucksenke (5, 6) nachweist.

7. Komponente (7, 8) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der der Sensor (7, 8) in der Ableitung (10, 11, 12) angeordnet ist.

8. Komponente (7,8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Brennkammer (7) der Gasturbine (1, 2, 3) ist.

9. Komponente (7, 8) nach Anspruch 8, welche ein zweischaliges druckdichtes Bauteil (7) ist und den Kühlkanal (29) umschließt.

10. Komponente (7, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche eine Leitschaufel (8) in einem Turbinenteil (3) der Gasturbine (1, 2, 3) ist.

11. Komponente (7, 8) nach Anspruch 10, welche mit einer Vielzahl gleichartiger Leitschaufeln (8) eine Mehrzahl von Leitschaufelkränzen (8) in dem Turbinenteil (3) bildet, welche Leitschaufelkränze (8) betrieblich von dem Strom (4) nacheinander umströmt werden, wobei die Kühlkanäle (22) von zu verschiedenen Leitschaufelkränzen (8) gehörigen Leitschaufeln (8) in Reihe geschaltet sind und betrieblich entgegen dem Strom (4) von dem Kühlgas durchströmt werden.

12. Verfahren zum Betrieb einer Komponente (7, 8) in einer Gasturbine (1, 2, 3), wobei die Komponente (7, 8) von einem hoch verdichteten und hoch erhitzten Strom (4) eines Gases umströmt sowie durch einen inneren Kühlkanal (22, 19) von einem Kühlgas durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (22, 19) aus einem Gebläse (9) mit dem Kühlgas beaufschlagt und das Kühlgas aus dem Kühlkanal (22, 19) unmittelbar einer Drucksenke (5, 6) der Gasturbine (1, 2, 3) zugeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Kühlgas Luft ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Kühlgas von einer als Gebläse (9) arbeitenden Anzapfung (9) eines zu der Gasturbine (1, 2, 3) gehörigen Turboverdichters (1) abgezweigt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei das Kühlgas in einen als Drucksenke (5, 6) arbeitenden Abgaskanal (5, 6) der Gasturbine (1, 2, 3) abgeleitet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem der die Komponente (7, 8) umströmende Strom (4) mit einem Spurenstoff versetzt und das aus der Komponente (7, 8) in die Drucksenke (5, 6) gelangenden Kühlgas auf ein Vorhandensein des Spurenstoffes untersucht wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem in dem Strom (4) eine Verbrennung bewirkt wird, bevor oder während er die Komponente (7, 8) umströmt, und bei dem ein bei der Verbrennung entstehendes Produkt als der Spurenstoff verwendet wird.