DE19644378A1

DE19644378A1 - Kühlluft-Versorgungssystem einer axial durchströmten Gasturbine

Info

Publication number: DE19644378A1
Application number: DE1996144378
Authority: DE
Inventors: Marcel Koenig; Robert Marmilic
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 1998-04-30

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsma schinen. Sie betrifft ein Kühlluft-Versorgungssystem einer axial durchströmten Gasturbine, bei welchem aus mindestens einem Verdichterplenum Kühlluft mit niedrigerem Druck als der Verdichteraustrittsdruck entnommen und anschließend einem Turbinenplenum zugeführt wird.

Stand der Technik

Bei Gasturbinen ist es bekannter Stand der Technik, die Kühl luft zur Kühlung der Turbinenschaufeln, Wärmestausegmente und des Rotors nach bestimmten Stufen des Verdichters verschiede nen Verdichterplenen zu entnehmen.

Die Luft wird über recht große Luftentnahmestutzen durch das Verdichtergehäuse hindurchgeführt und über ein daran ange schlossenes Rohrsystem zur Turbine geleitet. Die Rohre sind über Flansche an dem Teil des Turbinengehäuses befestigt, un ter welchem sich das Turbinenplenum befindet, so daß die Kühlluft in dieses Plenum strömt und von dort aus im Turbi nenkühlluftsystem verteilt wird.

Eine solche Lösung erfordert jedoch wegen der großen Luft entnahmestutzen und der recht langen Rohre, die außerhalb der Maschine entlanggeführt werden, viel Platz.

Die Rohre sind dann besonders lang, wenn die verdichtete Luft vor Eintritt in das Turbinenplenum noch über einen Kühler ge führt werden muß.

Bei modernen Gasturbinen mit hohen Druckverhältnissen müssen die Rohre zusätzlich einen sehr großen Querschnitt aufwei sen, damit zwecks Vermeidung von Druckverlusten sehr große Luftmengen zur Turbine geführt werden können. Neben dem gro ßen Platzbedarf entstehen als weitere Nachteile durch die Montage und die notwendige Überwachung der Rohre auch sehr hohe Kosten.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Kühlluft-Ver sorgungssystem für eine Gasturbine zu schaffen, das nur wenig Platz benötigt, große Druckverluste vermeidet und preiswert zu realisieren ist.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Kühlluft-Versorgungssy stem einer axial durchströmten Gasturbine, bei welcher Ver dichter und mindestens eine Turbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und zwischen diesen mindestens eine Ringbrennkammer vorgesehen ist, wobei im Verdichter minde stens ein Verdichterplenum zur Entnahme von Kühlluft mit niedrigerem Druck als der Verdichteraustrittsdruck und in der Turbine mindestens ein Turbinenplenum angeordnet sind, und das mindestens eine Verdichterplenum über geeignete Mittel mit dem Turbinenplenum in Verbindung steht, über welche Mit tel die Kühlluft von dem mindestens einen Verdichterplenum zum Turbinenplenum geleitet und von dort aus im Turbinenkühl luftsystem verteilt wird, dadurch erreicht, daß die besagten Mittel zur Verbindung des mindestens einen Verdichterplenums mit dem Turbinenplenum innerhalb der Maschine angeordnet sind.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß gegenüber dem bekannten Stand der Technik die Wege der Kühlluft vom Ver dichter zur Turbine verkürzt werden, daß außerhalb der Ma schine Platz gespart wird und daß vor allem bei Gasturbinen mit großem Druckverhältnis die Druckverluste verringert wer den.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn das Mittel zur Verbindung des Verdichterplenums mit dem Turbinenplenum ein zwischen den beiden Plenen angeordneter Ringraum ist, welcher von den Wän den eines doppelwandig ausgebildetes Gehäuse begrenzt ist. Dieser Ringraum verbindet den Ringraum des Verdichterentnah meplenums mit dem Ringraum des Turbinenplenums und ermöglicht ein Durchströmen der Kühlluft. Durch den großen Querschnitt des von den Gehäusewänden begrenzten Ringraumes im Vergleich zum Querschnitt der Rohre nach dem Stand der Technik werden kleinere Geschwindigkeiten der Kühlluft realisiert, was zu kleineren Druckverlusten führt. Das ist besonders vorteil haft, wenn Gasturbinen mit hohen Druckverhältnissen verwendet werden. Außerdem wird bei dieser Ausführungsvariante gleich zeitig in vorteilhafter Weise das Gehäuse gekühlt.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zur Verbindung des mindestens einen Verdichterplenums mit dem Turbinenplenum Rohre sind, die zwischen den Plenen im Inneren der Maschine in der Nähe der Gehäusewand angeordnet sind. Auch mit dieser Variante werden die Luftwege verkürzt und man spart außer halb der Maschine Platz.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Mittel zur Verbindung des mindestens einen Verdichterplenums mit dem Turbinenplenum Kanäle sind, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird nicht nur Platz gespart, son dern ebenfalls gleichzeitig das Gehäuse effektiv gekühlt.

Schließlich wird mit Vorteil mindestens ein Zwischenkühler für die Kühlluft in den Rohren bzw. im Zwischenraum des dop pelten Gehäuses angeordnet. Durch Einsatz eines Zwischenküh lers, mit dem beispielsweise in die heiße Kühlluft Wasser eingespritzt wird, wird erreicht, daß der Energieverlust mi nimiert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt der schematisch dargestellten Gasturbine mit einem Kühlluft-Versorgungssystem nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt der Gasturbine in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt der Gasturbine gemäß Fig. 2. mit zusätzlicher Wassereinspritzung;

Fig. 4 einen Teillängschnitt der Gasturbine in einer weite ren Ausführungsvariante;

Fig. 5 einen Teillängsschnitt der Gasturbine gemäß Fig. 4 mit zusätzlicher Wassereinspritzung;

Fig. 6 einen Teillängsschnitt der Gasturbine in einer weite ren Ausführungsvariante;

Fig. 7 einen Teilquerschnitt des Gehäuses von Fig. 6 entlang der Linie VII-VII.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise das Abgasgehäuse und der Kamin. Die Strömungs richtung der Luft ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 7 näher erläutert.

Fig. 1 stellt den bekannten Stand der Technik dar. Sie zeigt einen Längsschnitt einer schematisch dargestellten axial durchströmten Gasturbine mit sequentieller Verbrennung ein schließlich des Kühlluft-Versorgungssystems (ohne Rotorkühl luftsystem und ohne Hochdruckkühlluftsystem).

Auf einer gemeinsamen Welle 1 sind ein Verdichter 2 und zwei Turbinen 3, 4 angeordnet. Zwischen dem Verdichter 2 und der ersten einstufigen Turbine 3 befindet sich eine erste Ring brennkammer 5, deren Heißgase die erste Turbine 3 beauf schlagen. Zwischen der ersten Turbine 3 und der zweiten Tur bine 4 ist eine zweite Ringbrennkammer 6 (Nachbrennkammer) angeordnet, deren Heißgase die zweite Turbine 4 beaufschla gen.

Am Verdichter 2 sind nach bestimmten Verdichterstufen drei Plenen 7 angeordnet, in denen Verdichterluft mit niedrigerem Druck als der Verdichteraustrittsdruck vom Verdichter entnom men und dort gesammelt wird. Die Kühlluft wird von diesen Plenen 7 aus über hier nicht dargestellte große Luftentnah mestutzen durch das Gehäuse hindurch in Rohre 8, 9 geleitet, die außerhalb der Maschine angeordnet sind und die Kühlluft zum Turbinenplenum 10 führen.

Das Rohrsystem 8 führt dabei die Kühlluft für den Turbinen schaufelträger und die Leitschaufelstufen drei und vier. Die Luft strömt vom Ende des Schaufelträgers bis zur dritten Leitschaufelstufe und kühlt dabei den Schaufelträger, die nicht dargestellten Wärmestausegmente, die Füße der Leit schaufeln in Stufe vier und fünf und die Leitschaufeln der Stufe drei, bevor sie in den Heißgasstrom mündet.

Im Rohrsystem 9 ist ein Zwischenkühler 11 angeordnet, so daß die durch das Rohrsystem 9 strömende Luft durch Wasserinjek tion gekühlt wird, bevor auch sie in das Turbinenplenum 10 einströmt und von dort aus im Turbinenkühlsystem verteilt wird, z. B. zur Kühlung der Turbineneintrittssegmente, der zweiten Leitschaufelstufe und der zweiten und dritten Turbi nenlaufschaufelstufen.

Das Rotorkühlluftsystem ist in der Fig. 1 nicht dargestellt, die dafür benötigte Luft wird aus dem Verdichterplenum 7 mit dem niedrigsten Druck entnommen. Ebenso nicht dargestellt ist das Hochdruckkühlluftsystem für die Turbinenstufe 1, d. h. für die erste Turbine 3.

Bei dieser Ausführung nach dem Stand der Technik wird wegen der außerhalb der Maschine angeordneten Rohre 8 und 9 mit integriertem Zwischenkühler 11 und der großen Luftentnahme stutzen sehr viel Platz benötigt. Die Rohre 8 und 9 müssen große Durchmesser haben, um große Luftmenge transportieren zu können, damit die Druckverluste möglichst gering sind. Außerdem ist die Belastung des Gehäuses 12 sehr groß, weil die Druckdifferenz bei Gasturbinen mit hohem Druckverhältnis (hier z. B. 32 bar : 20 bar : 1 bar) sehr groß ist. Diese Nachteile können mit der erfindungsgemäßen Lösung, die in den Fig. 2 bis 7 dargestellt ist, beseitigt werden.

Fig. 2 zeigt einen Teillängsschnitt der Gasturbine im Bereich zwischen dem Verdichterentnahmeplenum 7 und dem Turbinenple num 10. Die Gasturbine ist wie in Fig. 1 beschrieben aufge baut mit dem Unterschied, daß das Gehäuse 12 zwischen dem Niederdruck-Verdichterentnahmeplenum 7 und dem Turbinenplenum 10 doppelwandig ausgebildet ist und dadurch ein Ringraum 13 geschaffen wird, der die beiden Plenen 7 und 10 miteinander verbindet. Die Kühlluft für die Turbine kann nun innerhalb der Maschine vom Verdichterentnahmeplenum 7 über den Ringraum 13 zum Turbinenplenum 10 strömen. Ein Teil der Kühlluft dient der Kühlung der zweiten Brennkammer 6.

Durch die Erfindung verkürzen sich die Luftwege, und die Strömungsgeschwindigkeit ist wegen des größeren Strömungs querschnittes geringer, so daß die Druckverluste gegenüber dem bekannten Kühlluft-Versorgungssystem geringer sind. Von Vorteil ist weiterhin, daß durch diese erfindungsgemäße Kühlluftführung das Gehäuse 12 gekühlt wird. Es wird außer dem geringer belastet, weil die Druckdifferenz über das Ge häuse 12 kleiner wird, im Idealfall um zweimal. Da die Luft entnahmestutzen am Gehäuse und die äußeren Rohre 8 und 9 entfallen, ist mehr Platz für Brennerdurchführungen, insbe sondere bei ausbaubaren Brennern der Doppelkegelbauart, vor handen. Das gesamte Kühlluft-Versorgungssystem ist gegenüber dem bekannten Stand der Technik wesentlich vereinfacht.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante, die sich von der in Fig. 2 dargestellten nur dadurch unterscheidet, daß inner halb des doppelwandigen Gehäuses 12, also im Ringraum 13, zu sätzlich ein Zwischenkühler 11 angeordnet ist. Mittels Was sereinspritzung in den Ringraum 13 wird somit die Kühlluft vor Eintritt in den Ringraum des Turbinenplenums 10 gekühlt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Gasturbine ist wiederum im wesentlichen wie in Fig. 1 be schrieben aufgebaut, es handelt sich also um eine Gasturbine, welche mit sequentieller Verbrennung und einem hohem Druck verhältnis arbeitet. In einem Teillängsschnitt der Gasturbine im Bereich zwischen Verdichterentnahmeplenum 7 und Turbinen plenum 10 ist dargestellt, daß die Mittel, über welche die beiden Plenen 7 und 10 in Verbindung stehen, in diesem Falle Rohre 14 sind, welche im Inneren der Maschine nahe des Gehäu ses 12 angeordnet sind. Über diese Rohre 14 gelangt die Kühl luft vom Verdichterplenum 7 in das Turbinenplenum 10 und wird von dort aus im Turbinenkühlsystem verteilt.

Fig. 5 zeigt in einem Teillängsschnitt eine weitere Ausfüh rungsvariante, die sich von der in Fig. 4 gezeigten nur da durch unterscheidet, daß zusätzlich in den Rohre 14 ein in terner Kühler 11 angeordnet ist, der der Wassereinspritzung und damit der Kühlung der Kühlluft dient. Gegenüber der Aus führungsvariante gemäß Fig. 3 hat das den Vorteil, daß die Rohre mechanisch stabiler sind.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im Zusammenhang mit dem Querschnitt durch das Gehäuse gemäß Fig. 7 zu erläutern ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die erfindungsgemäßen Mittel zur Verbindung der in diesem Falle zwei Verdichterplenen 7 mit dem Turbinenplenum 10 Kanäle 15 bzw. 16, welche in einem dick ausgebildeten Gehäuse 12 zwischen den Plenen 7 und 10 ange ordnet sind. Über diese Kanäle 15, 16, von denen mehrere bei spielsweise abwechselnd über den Umfang verteilt im Gehäuse 12 angeordnet sind, gelangt die Kühlluft von den Verdich terentnahmeplenen 7, die unterschiedlichen Druck aufweisen, z. B. 16 bar und 1 bar, auf kurzem Wege zum Turbinenplenum 10. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die hier ge zeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist auch anwend bar für Gasturbinen mit niedrigeren normalen Druckverhältnis sen und Gasturbinen mit nur einer Brennkammer.

Bezugszeichenliste

1

Welle

2

Verdichter

3

erste Turbine

4

zweite Turbine

5

Brennkammer

6

Nachbrennkammer

7

Verdichterplenum

8

äußeres Rohrsystem

9

äußeres Rohrsystem

10

Turbinenplenum

11

Zwischenkühler

12

Gehäuse

13

Ringraum zwischen Pos.

7

und Pos.

10

14

Rohre im Inneren der Maschine

15

Kanal in Pos.

12

16

Kanal in Pos.

12

Claims

1. Kühlluft-Versorgungssystem einer axial durchströmten Gasturbine, bei welcher Verdichter (2) und mindestens eine Turbine (3) auf einer gemeinsamen Welle (1) ange ordnet sind und zwischen diesen mindestens eine Ring brennkammer (5) vorgesehen ist, wobei im Verdichter (2) mindestens ein Verdichterplenum (7) zur Entnahme von Kühlluft mit niedrigerem Druck als der Verdichteraus trittsdruck und in der Turbine (3) mindestens ein Turbi nenplenum (10) angeordnet sind, und das mindestens eine Verdichterplenum (7) über geeignete Mittel mit dem Tur binenplenum (10) in Verbindung steht, über welche Mittel die Kühlluft von dem mindestens einen Verdichterplenum (7) zum Turbinenplenum (10) geleitet und von dort aus im Turbinenkühlluftsystem verteilt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die besagten Mittel zur Verbindung des mindestens einen Verdichterplenums (7) mit dem Turbinen plenum (10) innerhalb der Maschine angeordnet sind.

2. Kühlluft-Versorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das besagte Mittel ein zwischen Ver dichterplenum (7) und Turbinenplenum (10) angeordneter Ringraum (13) ist, welcher von einem doppelwandig ausge bildeten Gehäuse (12) begrenzt ist.

3. Kühlluft-Versorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die besagten Mittel zwischen dem min destens einem Verdichterplenum (7) und dem Turbinenple num (10) in der Nähe der Gehäuseinnenwand angeordnete Rohre (14) sind.

4. Kühlluft-Versorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die besagten Mittel zwischen dem min destens einem Verdichterplenum (7) und dem Turbinenple num (10) innerhalb des Gehäuses (12) angeordnete Kanäle (15, 16) sind.

5. Kühlluft-Versorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zwi schenkühler (11) für die Kühlluft im Mittel zur Verbin dung des mindestens einen Verdichterplenums (7) mit dem Turbinenplenum (10) angeordnet ist.