DE19629191A1 - Verfahren zur Kühlung einer Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Gasturbine sowie eine Gasturbine.

Gasturbinen werden meist in Kopplung mit Dampfturbinen zur Erzeugung von Elektrizität verwendet. Nach dem Stand der Technik bekannte Gasturbinen bestehen in Strömungsrichtung im wesentlichen aus einem Verdichter, einer Ringbrennkammer mit einem Leitrad am Ausstoßende gefolgt von einer mehrstufigen Turbine. Die Ringbrennkammer weist eine Außen- und Innenwand auf, die zur Durchströmung von Kühlmittel jeweils mit Hohl­ räumen versehen sind. Zur Kühlung wird in der Regel vom Ver­ dichter entnommene Luft verwendet.

Der Nachteil dieses Kühlkonzepts besteht darin, daß mit vom Verdichter entnommener Luft nur die nabenseitige Innenwand gut erreichbar ist. Die Kühlung Außenwand muß dagegen über eine externe Versorgung mit Kühlmittel erfolgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren so­ wie eine Gasturbine anzugeben, denen die Nachteile nach dem Stand der Technik nicht anhaften. Insbesondere soll eine ver­ besserte Kühlung des Leit- und des Laufrads ermöglicht wer­ den.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2-8. Ferner wird die Aufgabe durch eine Gasturbine mit den Merkmalen nach Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Gasturbine ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 10-17.

Nach einer ersten Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Kühlung einer Gasturbine mit einer eine Außen- und Innenwand aufweisenden Ringbrennkammer vorgesehen, an deren Ausstoßende ein aus einer Mehrzahl fest stehender Leitschaufeln bestehen­ des Leitrad und stromabwärts des Leitrads ein Turbinenlaufrad angeordnet ist, wobei Kühlmittel von einem in/an der Außen­ wand zur Durchströmung von Kühlmittel vorgesehenen ersten Hohlraum über in den Leitschaufeln vorgesehene erste Kanäle einem in/an der Innenwand zur Durchströmung von Kühlmittel gebildeten zweiten Hohlraum zugeführt wird.

Da durch die in den Leitschaufeln vorgesehenen ersten Kanäle eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlraum geschaffen wird, ist es möglich externes, d. h. nicht vom Ver­ dichter entnommenes Kühlmittel, gezielt an die Innenwand der Ringbrennkammer zu führen und somit eine verbesserte Kühlung derselben zu erzielen. Damit erspart man sich eine aufwendige Zuführung der Kühlluft zur Innenwand über Rohre und Kanäle. Die Kühlluft wird an der gut zugänglichen Außenwand über ei­ nen oder mehrere Anschlüsse eingespeist. - Wird Verdichterluft als Kühlmittel eingesetzt, so werden in den Leitschaufeln vorgesehenen Kanäle genutzt, um auf einfache Weise die Kühl­ luft in umgekehrter Richtung vom inneren Ringkanal durch die Leitschaufel nach außen zu führen. In diesem Fall wird der äußere Ringsammelkanal nicht über die separate Kühlmittel zu­ fuhr, sondern über in den Leitschaufeln vorgesehene Kanäle versorgt.

Nach einem Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung wird das Kühl­ mittel zweiten Kanälen zugeführt, die in den Schaufeln des Turbinenlaufrads vorgesehen sind. Auf diese Weise gelingt es, die Brennkammer und die erste Turbinenstufe durch ein ein­ heitliches Kühlsystem zu kühlen.

Nach einer ersten Verfahrensvariante wird ein offenes Kühlsy­ stem vorgeschlagen, bei dem das Kühlmittel zweckmäßigerweise durch im ersten und/oder zweiten Hohlraum vorgesehene erste Durchbrüche in die Ringbrennkammer abgegeben wird. Ferner kann das Kühlmittel von den ersten Kanälen durch in den Leit­ schaufeln vorgesehene zweite Durchbrüche in den Hauptstrom abgegeben werden. Dazu kann in den Leitschaufeln ein aus ei­ nem Rohr bestehender Einsatz angeordnet sein, dessen Wandung mit Durchgangsbohrungen versehen ist. - Es ist auch möglich, das Kühlmittel von den zweiten Kanälen durch in den Schaufeln vorgesehene dritte Durchbrüche in den Hauptstrom abzugeben. Diese Maßnahmen ermöglichen einen direkten Kontakt des Kühl­ mittels mit den zu kühlenden Strukturen und damit eine beson­ ders wirkungsvolle Kühlung.

Nach einer zweiten Verfahrensvariante wird das Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Kühlmittel an einem in den ersten Kanälen angeordneten Mittel zur Einstellung der Strömungsge­ schwindigkeit, insbesondere einem Verdrängerkörper, vorbei­ zuführen. Neben der Strömungsgeschwindigkeit kann so auch der Druck und die Durchflußmenge des Kühlmittels reguliert wer­ den.

Als Kühlmittel kann bei beiden Verfahrensvarianten Luft und Dampf verwendet werden. Bei beiden Verfahrensvarianten kann als Kühlmittel auch Brennstoff bzw. Brennstoffgemisch zum Einsatz kommen.

Nach einer zweiten Maßgabe der Erfindung ist eine Gasturbine mit einer eine Außen- und eine Innenwand aufweisenden Ring­ brennkammer vorgesehen, an deren Ausstoßende ein aus einer Mehrzahl feststehender Leitschaufeln bestehendes Leitrad und stromabwärts des Leitrads ein Turbinenlaufrad angeordnet sind, wobei ein in/an der Außenwand zur Durchströmung von Kühlmittel vorgesehener erster Hohlraum über in den Leit­ schaufeln vorgesehene erste Kanäle mit einem in/an der Innen­ wand zur Durchströmung von Kühlmittel gebildeten zweiten Hohlraum verbunden ist. - Die erfindungsgemäße Gasturbine zeichnet sich durch eine verbesserte Kühlung der Ringbrenn­ kammer, der Leit- und Laufschaufeln aus. Das erhöht einer­ seits ihre Standzeit, und andererseits kann eine solche Gasturbine bei höheren Temperaturen betrieben werden.

Zweckmäßigerweise ist der erste Hohlraum über einen mit einem Kühlmittelzulauf versehenen ersten Ringsammelkanal mit den ersten Kanälen in Verbindung. Der erste Ringsammelkanal kann über die ersten Kanäle mit einem zweiten Ringsammelkanal in Verbindung sein. Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, in den Schaufeln des Turbinenlaufrads zweite Kanäle vorzuse­ hen, die mit dem zweiten Ringsammelkanal in Verbindung sind. In dieser Anordnung kann gleichzeitig die Brennkammer und die erste Turbinenstufe gekühlt werden.

Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung ist zur Abdichtung des zweiten Ringsammelkanals gegen die Schau­ feln mindestens eine am Ringsammelkanal angebrachte Dichtung vorgesehen.

Zur Schaffung eines offenen Kühlsystems kann der erste und/oder zweite Hohlraum über erste Durchbrüche mit der Ring­ brennkammer in Verbindung sein. Ferner sind vorteilhafter­ weise die ersten Kanäle über zweite Durchbrüche mit dem Hauptstrom in Verbindung. Auch die zweiten Kanäle können über dritte Durchbrüche mit dem Hauptstrom in Verbindung sein. Die vorgenannten Maßnahmen ermöglichen eine besonders wirkungs­ volle Kühlung insbesondere der ersten Turbinenstufe.

Die Gasturbine kann auch mit einem geschlossenen Kühlsystem betrieben werden. Zweckmäßigerweise ist dabei in den zweiten Kanälen ein Mittel zum Einstellen der Strömungsgeschwindig­ keit, insbesondere ein Verdrängerkörper, vorgesehen. Das er­ möglicht auch eine Einstellung der Durchflußmenge und des Kühlmitteldrucks.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ring­ brennkammer einer Gasturbine mit offenem Kühlsystem und

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Ring­ brennkammer einer Gasturbine mit geschlossenem Kühlsystem.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Ringbrennkammer 1 von einer Außen- und einer Innenwand 2 und 3 umgeben. In bzw. an der Außen- und der Innenwand 2 und 3 ist ein erster und ein zwei­ ter Hohlraum 4 und 5 vorgesehen. Ein erster Ringsammelkanal 6 steht unmittelbar mit dem ersten Hohlraum 4, einem Kühlmit­ telzulauf 7 sowie einem in einer Leitschaufel 8 vorgesehenen, durch einen Rohreinsatz gebildeten ersten Kanal 9 in Verbin­ dung. Ein zweiter Ringsammelkanal 10 steht unmittelbar mit dem zweiten Hohlraum 5, dem ersten Kanal 9 sowie einem zwei­ ten Kanal 11 in Verbindung, der in der Schaufel 12 des Laufrads angeordnet ist. Der zweite Kanal mündet ist eine Kammer 13. Am zweiten Ringsammelkanal 10 sind Dichtungen 14 angebracht, die gegen die Schaufel 12 vorstehen.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten offenen Kühlsystem weisen die Außen- und die Innenwand 2 und 3 erste Durchbrüche 15 auf, wodurch eine Verbindung zwischen der Ringbrennkammer 1 und dem ersten und zweiten Hohlraum 4 und 5 hergestellt wird. Der den ersten Kanal 9 bildende Rohreinsatz weist zweite und die Kammer 13 dritte Durchbrüche 16 und 17 auf.

In Fig. 2 ist ein geschlossenes Kühlsystem gezeigt. In dem in der Leitschaufel 8 vorgesehenen ersten Kanal 9 ist ein Ver­ dängerkörper 18 angeordnet. Die Kammer 13 ist geschlossen ausgebildet. Der zweite Kanal 9 besteht in diesem Fall aus einem Zu- und einem Ablaufkanal. Er bildet zusammen mit der Kammer 13 eine Kühlschleife in der Schaufel 12. Eine weitere an einer Trennwand 19 angebrachte Dichtung 14 trennt den Zu- und den Ablauf des zweiten Kanals 11.

Die Funktion der in der Zeichnung gezeigten Kühlsysteme ist folgende:
Bei dem in Fig. 1 gezeigten offenen Kühlsystem wird Kühlmit­ tel wie Luft oder Dampf über den Kühlmittelzulauf 7 in den ersten Ringsammelkanal 6 eingespeist. Von da gelangt es über die im ersten Hohlraum 4 vorgesehen ersten Durchbrüche 15 auf die Innenwand der Ringbrennkammer 1. Des weiteren gelangt das Kühlmittel vom ersten Ringsammelkanal 6 in den ersten Kanal 9. Es wird von da aus zum Teil über die darin vorgesehenen zweiten Durchbrüche 16 in den mit dem Pfeil H bezeichneten Hauptstrom abgegeben. Das restliche Kühlmittel gelangt in den zweiten Ringsammelkanal 10. Von da wird es über den zweiten Kanal 11 der Kammer 13 zugeführt und gelangt über die dritten Durchbrüche 17 ebenfalls in den Hauptstrom H. Der zweite Hohlraum 5 wird ebenfalls vom zweiten Ringsammelkanal 10 mit Kühlmittel versorgt. Vom zweiten Hohlraum aus strömt das Kühlmittel schließlich zu den (nicht dargestellten) Brennern und wird dort Verdichterluft beigemischt, die dann den Bren­ nern zugeleitet wird.

Der in Fig. 2 gezeigte geschlossene Kühlkreislauf weist einen ähnlichen Strömungsweg auf. Das vom ersten Ringsammelkanal 6 kommende Kühlmittel wird an einem zur Einstellung der Strö­ mungsparameter vorgesehenen Verdrängerkörper 18 vorbeigelei­ tet und gelangt über den zweiten Kanal 9 bzw. die Kammer 13 in den zweiten Ringsammelkanal 10. Von da aus wird der zweite Hohlraum 5 mit Kühlmittel versorgt.

Claims (17)

1. Verfahren zur Kühlung einer Gasturbine mit einer eine Außen- (2) und Innenwand (3) aufweisenden Ringbrennkammer (1), an deren Ausstoßende ein aus einer Mehrzahl feststehen­ der Leitschaufeln (8) bestehendes Leitrad und stromabwärts des Leitrads ein Turbinenlaufrad angeordnet sind, wobei Kühl­ mittel von einem in/an der Außenwand (2) zur Durchströmung von Kühlmittel vorgesehenen ersten Hohlraum (4) über in den Leit­ schaufeln vorgesehene erste Kanäle (9) einem in/an der Innen­ wand (3) zur Durchströmung von Kühlmittel gebildeten zweiten Hohlraum (5) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittel zweiten Kanälen (11) zugeführt wird, die in den Schaufeln (12) des Turbinenlaufrads vorgesehen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kühlmittel durch im ersten (4) und/oder zweiten Hohlraum (5) vorgesehene erste Durchbrüche (15) in die Ringbrennkammer (1) abgegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das Kühl­ mittel von den ersten Kanälen (9) durch in den Leitschaufeln (8) vorgesehene zweite Durchbrüche (16) in den Hauptstrom (H) abgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Kühl­ mittel von den zweiten Kanälen (11) durch in den Schaufeln (12) vorgesehene dritte Durchbrüche (17) in den Hauptstrom (H) abgegeben wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel an einem in den ersten Kanälen (11) angeordne­ ten Mittel zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit, ins­ besondere einem Verdrängerkörper (18), vorbeigeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Kühlmittel Luft, Dampf oder Brennstoff verwendet wird.

9. Gasturbine mit einer eine Außen- (2) und eine Innenwand (3) aufweisenden Ringbrennkammer (1), an deren Ausstoßende ein aus einer Mehrzahl feststehender Leitschaufeln (8) beste­ hendes Leitrad und stromabwärts des Leitrads ein Turbinen­ laufrad angeordnet sind, wobei ein in/an der Außenwand (2) zur Durchströmung von Kühlmittel vorgesehener erster Hohlraum (4) über in den Leitschaufeln (8) vorgesehene erste Kanäle (9) mit einem in/an der Innenwand (3) zur Durchströmung von Kühlmittel gebildeten zweiten Hohlraum (5) verbunden ist.

10. Gasturbine nach Anspruch 9, wobei der erste Hohlraum (4) über einen mit einem Kühlmittelzulauf (7) versehenen ersten Ringsammelkanal (6) mit den ersten Kanälen (9) in Verbindung ist.

11. Gasturbine nach Anspruch 9 oder 10, wobei der erste Ring­ sammelkanal (6) über die ersten Kanäle (9) mit einem zweiten Ringsammelkanal (10) in Verbindung ist.

12. Gasturbine nach einem der Ansprüche 9-11, wobei in den Schaufeln (12) des Turbinenlaufrads zweite Kanäle (11) vorge­ sehen sind, die mit dem zweiten Ringsammelkanal (10) in Ver­ bindung sind.

13. Gasturbine nach einem der Ansprüche 9-12, wobei zur Ab­ dichtung des zweiten Ringsammelkanals (10) gegen die Schaufel (12) mindestens eine am zweiten Ringsammelkanal (10) ange­ brachte Dichtung (14) vorgesehen ist.

14. Gasturbine nach einem der Ansprüche 9-13, wobei der er­ ste (4) und/oder zweite Hohlraum (5) über erste Durchbrüche (15) mit der Ringbrennkammer (1) in Verbindung sind/ist.

15. Gasturbine nach einem der Ansprüche 9-14, wobei die er­ sten Kanäle (9) über zweite Durchbrüche (16) mit dem Haupt­ strom (H) in Verbindung sind.

16. Gasturbine nach einem der Ansprüche 9-15, wobei die zweiten Kanäle (11) über dritte Durchbrüche (17) mit dem Hauptstrom (H) in Verbindung sind.

17. Gasturbine nach einem der Ansprüche 9-16, wobei in den zweiten Kanälen (11) ein Mittel zum Einstellen der Strömungs­ geschwindigkeit, insbesondere ein Verdrängerkörper (18), vor­ gesehen ist.