Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kühlungsanordnung für Schaufeln einer Gasturbine
oder dergleichen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Es ist ganz allgemein bekannt, thermisch hochbelastete Schaufeln einer Gastur
bine mit einer Kühlungsanordnung zu versehen. Bei den hier vorrangig interessie
renden thermischen Kombikraftwerksanlagen wird zur Kühlung der thermisch be
lasteten Komponenten häufig Luft aus dem Prozessgasstrom entnommen, wo
durch sich der Gesamtwirkungsgrad der Anlage zum Teil stark verschlechtert.
Es wurde deshalb gemäß der EP 0 674 099 A1 vorgeschlagen, zur Kühlung Satt
dampf aus einem Abhitzedampferzeuger bzw. überhitzten Dampf aus dem Dampf
kreislauf abzuziehen und den zu kühlenden Komponenten zuzuführen. Danach
wird der Dampf in eine Dampfturbine des Dampfkreislaufs an geeigneter Stelle zu
rückgeleitet. Ein Hauptvorteil dieses Konzeptes liegt darin, dass aufgrund der spe
zifischen Wärmekapazität von Dampf eine Verbesserung der Kühlwirkung erziel
bar ist, so dass eine Auslegung auf eine höhere Heißgastemperatur oder höhere
Lebensdauer möglich ist. Soweit darüberhinaus die Kühlung in einem geschlos
senen Kreislauf durchgeführt wird, ergibt sich ein verbesserter Wirkungsgrad der
Kombianlage.
In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass der Dampf in einem geschlosse
nen Kreislauf verbleiben muss, um den Wirkungsgradvorteil zu erhalten. Aus der
DE 198 60 787.3, von der die Erfindung ausgeht, ist eine optimierte Kühlungsan
ordnung für Schaufeln einer Gasturbine bekannt, wobei die Schaufeln jeweils aus
einer saugseitigen und einer druckseitigen Wand aufgebaut sind, welche unter
Bildung eines Hohlraumes über eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Schau
felspitze und einen Schaufelfuß miteinander verbunden sind. Im Hohlraum bzw. in
den Wänden sind Kühlkanäle angeordnet, die sich im Wesentlichen in radialer
Richtung zwischen Schaufelfuß und Schaufelspitze erstrecken und einen durch
gehenden Strömungspfad für ein Kühlmedium, insbesondere für Dampf bilden.
Das Kühlmedium wird über einen Stutzen einer Verteilerkammer zugeführt, die im
Bereich der Schaufelspitze einer ersten Gruppe von Kühlkanälen zugeordnet ist.
Das Kühlmedium strömt radial einwärts durch die Kühlkanäle und wird im Bereich
des Schaufelfußes in einer Umlenkkammer umgelenkt und von dort einer zweiten
Gruppe von Kühlkanälen zugeführt. Das Kühlmedium erfährt hierdurch eine Strö
mungsumlenkung um ca. 180° und strömt radial auswärts durch die zweite Grup
pe von Kühlkanälen. Am Austritt der Kühlkanäle befindet sich eine Sammelkam
mer, die in einen weiteren Stutzen mündet, von dem aus das Kühlmedium abge
führt wird. Somit entsteht ein durchgehender Strömungspfad der gegenüber dem
Heißgasstrom abgedichtet ist.
Obwohl sich derartige Kühlungsanordnungen bestens bewährt haben, sind sie
hinsichtlich ihrer konstruktiven Ausgestaltung äußerst aufwendig. Insbesondere
betrifft dies die Notwendigkeit, für jede Schaufel einer Schaufelreihe zwei An
schlussstutzen vorzusehen und diese an ein Leitungssystem für das Kühlmedium
einzeln anzuschließen. Darüber hinaus treten häufig bei instationären Betriebszu
ständen Dichtungsprobleme auf, da sich die Bauteile unterschiedlich stark erwär
men.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die
Aufgabe zugrunde, eine Kühlungsanordnung für Schaufeln einer Gasturbine der
eingangs genannten Art anzugeben, die einen vereinfachten konstruktiven Aufbau
erlaubt und eine sichere Abdichtung des Strömungpfades für das Kühlmedium ge
genüber dem Heißgas und auch der Umgebung sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Verteilerkammer und die
Sammelkammer in radialer Richtung die Schaufeln ringförmig umgeben und zu
mindest zwischen der Verteilerkammer und den Schaufeln Verbindungsstücke
vorgesehen sind. Die Verbindungsstücke stellen eine weitgehend fluiddichte Ver
bindung zwischen der Verteilerkammer und dem jeweils ersten Kühlkanal bzw.
der ersten Gruppe von Kühlkanälen her, so dass das zugeführte Kühlmedium
weitgehend leckagefrei eingespeist werden kann. Darüber hinaus sind die Verbin
dungsstücke so gestaltet, dass sie thermisch bedingte Längenänderungen oder
Schwankungen des radialen Abstandes zwischen der Verteilerkammer und den
Schaufeln ausgleichen können.
Analog können zusätzliche Verbindungsstücke zwischen der Sammelkammer und
den Schaufeln jeweils im Bereich des zweiten Kühlkanals bzw. der zweiten Grup
pe von Kühlkanälen vorgesehen sein, wodurch sich ein vollständig durchgehender
Strömungspfad für das Kühlmedium realisieren lässt, der hinsichtlich thermisch
bedingter Längenänderungen der betroffenen Bauteile unempfindlich ist und eine
stets sichere Dichtwirkung verspricht.
Ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau lässt sich dann realisieren, wenn
die Verbindungsstücke als Faltenbälge ausgeführt sind. Diese erlauben eine äu
ßerst einfache Montage und sind in der Lage, selbst starke Schwankungen des
Abstandes zwischen der Verteiler- und/oder Sammelkammer einerseits und den
Schaufeln andererseits auszugleichen.
Alternativ hierzu können die Verbindungsstücke auch als Rohrstücke mit ballig ge
formten Enden ausgeführt sein, die sich besonders kostengünstig herstellen las
sen. Die ballig geformten Enden dienen dazu, in korrespondierend gestaltete, ka
lottensegmentförmige Lagerabschnitten eingesetzt zu werden. Die Lagerung ist so
konzipiert, dass eine Radialverschiebung der Rohrstücke in begrenztem Umfang
möglich ist, wodurch Abstandsänderungen ausgeglichen werden können. Darüber
hinaus gestaltet sich die Anbringung der Rohrstücke keinerlei Probleme, da diese
lediglich in die Lagerabschnitte eingesetzt werden müssen.
Weitere Kostenvorteile lassen sich dann erzielen, wenn die den Schaufeln zuge
ordneten Lagerabschnitte als Formbleche ausgeführt sind, die jeweils im Bereich
der Schaufelspitze angebracht sind. Solche Formbleche sind einfach herstellbar
und können ohne Schwierigkeiten mit den Schaufeln verbunden werden.
Bevorzugt sind die Verteilerkammer und/oder die Sammelkammer in einem Ge
häuseabschnitt integriert, wodurch sich ein besonders kompakter Aufbau der Gas
turbine erreichen lässt. Beispielsweise können beide Kammern axial nebeneinan
der in das Gehäuse eingearbeitet sein.
Ebenso ist es möglich, die Verteilerkammer in radialer Richtung oberhalb der
Sammelkammer anzubringen. Hierdurch verringert sich der konstruktive Aufbau,
da die Sammelkammer den gesamten Bereich der Schaufelspitze abdecken kann,
wodurch keine zusätzlichen Verbindungsstücke zwischen der Sammelkammer
und denjenigen Bereichen der Schaufeln erforderlich sind, in denen der zweite
Kühlkanal bzw. die zweite Gruppe der Kühlkanäle mündet. Es reicht aus, lediglich
Verbindungsstücke zwischen der Verteilerkammer und dem ersten Kühlkanal bzw.
der ersten Gruppe von Kühlkanälen vorzusehen. Die Verbindungsstücke sind so
mit durch die Sammelkammer hindurchgeführt. Ein weiterer Vorteil besteht darin,
dass im Falle einer Lekage das zugeführte Kühlmedium unmittelbar in die Sam
melkammer eintritt und dadurch nicht an die Umgebung oder den Heißgaßstrom
verlorengeht.
In konsequenter Weiterführung dieses Gedankens ist es auch möglich, die Ver
teilerkammer vollständig innerhalb der Sammelkammer anzuordnen. Es ist dann
nur noch erforderlich, den Anschlussstutzen nach außen durch die Wandung der
Sammelkammer hindurchzuführen.
Bei der vorstehenden Lösung ergeben sich weitere Vereinfachungen dann, wenn
die Verbindungsstücke als Rohrstutzen ausgeführt sind, die an dem einen Ende
fest mit der Verteilerkammer verbunden sind. So ist es denkbar, die Rohrstutzen
an die Verteilerkammer anzuschweißen oder anzulöten. Am gegenüberliegenden
Ende sind die Rohrstutzen abgedichtet und längsverschieblich durch korrespon
dierende Führungsöffnungen im Bereich der ersten Kühlkanäle bzw. der ersten
Gruppen von Kühlkanälen hindurchgeführt. Längenänderungen können hierdurch
besonders einfach ausgeglichen werden.
Je nach Kühlkonzeption ist es auch möglich, die Sammelkammer in axialer Rich
tung in den Bereich einer benachbarten Schaufelreihe hinein zu gestalten. Damit
kann beispielsweise der Gehäuseabschnitt gekühlt werden, der einem benach
barten Laufrad zugeordnet ist.
Unter diesem Gesichtspunkt ist es besonders vorteilhaft, einen ringförmigen Kühl
kanal zwischen einem als Wärmestausegment ausgebildeten Gehäuseabschnitt
und einem Blecheinsatz vorzusehen.
Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Kühlungsanordnung nicht
auf solche Schaufeln beschränkt ist, bei denen die Zuführung und die Abführung
des Kühlmediums an jeder einzelnen Schaufel einer Schaufelreihe vorgesehen ist.
Ebenso ist eine entsprechende Konzeption bei sogenannten Zwillings- oder Mehr
lingsschaufeln möglich, bei denen jeweils eine erste Schaufel der Kühlmediumzu
führung und eine zweite Schaufel der Kühlmediumsabführung dient.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer
Darstellungen wiedergegeben. Es zeigen
Fig. 1 Kühlungsanordnung gemäß einer ersten Variante;
Fig. 2 Faltenbalg;
Fig. 3 Kühlungsanordnung gemäß einer zweiten Variante;
Fig. 4 Kühlungsanordnung gemäß einer dritten Variante.
Es sind lediglich die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bauteile dar
gestellt.
Die Kühlungsanordnung dient dazu, Schaufeln 1 mit einem Kühlmedium K, bei
spielsweise in Form von Dampf, zu kühlen.
Die Schaufeln 1 bestehen jeweils aus einer saugseitigen Wand 11 und einer
druckseitigen Wand 12, die unter Bildung eines Hohlraumes über eine Vorder
kante 14 und eine Hinterkante 15 miteinander verbunden sind. Die saugseitige
Wand 11 und die druckseitige Wand 12 gehen im Bereich der Schaufelspitze 17 in
einen Gehäuseabschnitt 7 und im Bereich eines Schaufelfußes 18 in einen Platt
formabschnitt 8 über.
Der im Inneren einer jeden Schaufel 1 vorhandene Hohlraum wird mittels zwi
schen der saugseitigen Wand 11 und der druckseitigen Wand 12 durchgehenden
Trennwänden 13 durchsetzt, wodurch Kühlkanäle 10a, 10b entstehen. Die Anord
nung der Trennwände 13 ist so gewählt, dass ausgehend vom Bereich der Schau
felspitze 17 eine erste Gruppe von Kühlkanälen 10a entsteht, durch die das Kühl
medium K, das über eine Verteilerkammer 30 zugeführt wird, in radialer Richtung
der Schaufel 1 in Richtung auf den Bereich des Schaufelfußes 18 hindurchgeleitet
wird. Im Bereich des Schaufelfußes 18 ist ein Umlenkraum 20 vorhanden, durch
den das Kühlmedium K um ca. 180° umgelenkt und der zweiten Gruppe von Kühl
kanälen 10b zugeleitet wird. Durch diese Kühlkanäle 10b strömt das Kühlmedium
K in radialer Richtung nach oben und verlässt die Schaufel 1 im Bereich einer
Sammelkammer 40.
Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Variante der Kühlungsanordnung sind die
Verteilerkammer 30 und die Sammelkammer 40 axial nebeneinander im Gehäuse
7 integriert. Das Kühlmedium K wird der Verteilerkammer 30 über einen Zulei
tungsstutzen 37 zugeführt und verlässt nach dem Durchströmen der Schaufel 1
die Sammelkammer 40 über einen Ableitungsstutzen 47.
Zwischen der Verteilerkammer 30 und den Schaufeln 1 ist ein Verbindungsstück
in Form eines Rohrstücks 50 mit balligen Enden 52 vorgesehen. Im Bereich der
Verteilerkammer 30 ist ein kalottensegmentförmiger Lagerabschnitt 77 im Gehäu
se 7 angeformt, der korrespondierend zu dem balligen Ende 52 gestaltet ist.
Gegenüberliegend ist ein Formblech 55 mit kalottensegmentförmigen Lagerab
schnitten 57 angebracht, das das entsprechende ballige Ende 52 aufnimmt. Auf
diese Weise ist eine weitgehend fluiddichte Verbindung zwischen der Verteiler
kammer 30 und der Schaufelspitze 17 hergestellt. Die spezielle Art der Lagerung
erlaubt einen Längenausgleich zur Kompensation thermisch bedingter Schwan
kungen des radialen Abstandes zwischen der Verteilerkammer 30 und den Schau
feln 1.
In analoger Weise sind auch zwischen der Sammelkammer 40 und den Schaufeln
1 weitere Rohrstücke 50 angeordnet. Auf diese Weise entsteht ein gegenüber
dem Heißgasstrom H abgedichteter Strömungspfad. Soweit geringe Mengen des
Kühlmediums K in Form von Leckagen L, beispielsweise an den Lagerstellen zwi
schen dem balligen Ende 52 und dem Lagerabschnitt 57, austreten, können diese
zwischen dem Gehäuse 7 und der Schaufelspitze 17 in den Heißgasstrom aus
treten.
Anstelle der Rohrstücke 50 können Faltenbälge 60 zwischen dem Gehäuse 7 und
der Schaufelspitze 17 angebracht sein. Diese ermöglichen eine vollständige Ab
dichtung des Strömungspfades und sind darüber hinaus in der Lage, auch größe
re Verschiebebewegungen zwischen dem Gehäuse 7 und der Schaufelspitze 17
auszugleichen. Eine derartige Konstellation ist schematisch in Fig. 2 angedeutet.
Eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Kühlungsanordnung ist in Fig. 3 dar
gestellt. In diesem Falle ist die Verteilerkammer 30 in radialer Richtung oberhalb
der Sammelkammer 40 angebracht. Hierbei durchsetzen die Rohrstücke 50 die
Sammelkammer 40 in radialer Richtung, wobei wiederum durch die balligen En
den 52 in Verbindung mit korrespondierenden Lagerabschnitten 77 im Bereich
des Gehäuses 7 einerseits und den Lagerabschnitten 57 des Formblechs 55 an
dererseits eine fluiddichte Verbindung zwischen der Verteilerkammer 30 und der
Schaufel 1 im Abschnitt der Kühlkanäle 10a realisiert ist.
Diese Variante verzichtet vollständig auf Verbindungsstücke zwischen der Schau
felspitze 17 und der Sammelkammer 40. Vielmehr münden die Kanäle 10b un
mittelbar in die Sammelkammer 40, wodurch sich der konstruktive Aufwand er
heblich reduzieren lässt. Darüber hinaus werden eventuell auftretende Leckage
ströme L, die zwischen dem Rohrstück 50 und dem Gehäuse 7 bzw. dem Form
blech 55 austreten, unmittelbar der Sammelkammer 40 zugeführt, wodurch keine
Vermengung des Kühlmediums K mit dem Heißgasstrom H stattfinden kann. In
diesem Zusammenhang ist es jedoch wichtig, zwischen dem Gehäuse 7 und den
Schaufeln 1 Dichtungselemente 5 vorzusehen.
In Weiterführung des vorstehend beschriebenen Konzeptes wird bei der Variante
gemäß Fig. 4 die Verteilerkammer 30 vollständig innerhalb der Sammelkammer
40 angeordnet. Die Verteilerkammer 30 ist ringförmig mit einem halbkreisförmigen
Querschnitt ausgebildet und ist in radialer Richtung unmittelbar oberhalb der
Schaufeln 1 angeordnet. Das Kühlmedium K wird über einen Zuführstutzen 82 der
Sammelkammer 30 zugeleitet, wobei der Zuführstutzen 82 durch den Gehäuseab
schnitt 7 hindurchgeführt wird. Ein Dichtungselement 85 verhindert das Austreten
von Lekage L. Der Vorteil dieser Lösung besteht nun darin, dass lediglich eine
oder im Falle eines geteilten Gehäuses zwei Durchführungen im Gehäuse erfor
derlich ist sind, um Kühlmedium zu dem im Sammelraum 40 integrierten Verteiler
raum 30 zuzuführen.
Die Verbindungsstücke zwischen der Verteilerkammer 30 und den Schaufeln 1
sind als Rohrstutzen 80 ausgeführt, die an einem Ende an der Verteilerkammer 30
angeschweißt oder angegossen sind. Am anderen Ende sind sie abgedichtet und
längsverschieblich durch Führungsöffnungen 87 im Bereich der Schaufelspitze 17
hindurchgeführt, wobei wiederum Dichtungselemente 85 eine Lekage L weitge
hend verhindern.
Eine weitere Besonderheit ergibt sich dadurch, dass die Sammelkammer 40 in
axialer Richtung ax den Bereich einer benachbarten Schaufelreihe 100 überdeckt.
Das Gehäuse ist in diesem Bereich als Wärmestausegment 107 gestaltet und wird
von dem Kühlmediumstrom K beaufschlagt, der aus den Schaufeln 1 aus den
Kühlkanälen 10b austritt. Der Kühlmediumstrom K wird im Austrittsbereich mittels
eines Blecheinsatzes 114 über einen hierdurch entstehenden Kühlkanal 110 am
Wärmestausegment 107 entlanggeführt. Erst danach kann das Kühlmedium K
über den Ableitungsstutzen 47 abströmen.
Bezugszeichenliste
1
Schaufel
5
Dichtungselement
7
Gehäuseabschnitt
8
Plattformabschnitt
10
a Kühlkanal
10
b Kühlkanal
11
saugseitige Wand
12
druckseitige Wand
13
Trennwand
14
Vorderkante
15
Hinterkante
17
Schaufelspitze
18
Schaufelfuß
20
Umlenkraum,
30
Verteilerkammer
37
Zuleitungsstutzen
40
Sammelkammer
47
Ableitungsstutzen
50
Rohrstück
52
balliges Ende
55
Formblech
57
Lagerabschnitt
60
Faltenbalg
77
Lagerabschnitt
80
Rohrstutzen
82
Zuführstutzen
85
Dichtungselement
87
Führungsöffnung
100
Schaufel
107
Wärmestausegment
110
Kühlkanal
114
Formblech
ax axiale Richtung
r radiale Richtung
H Heißgas
K Kühlmedium
L Leckage