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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Kühlungsanordnung
für Schaufeln
einer Gasturbine oder dergleichen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Stand der Technik
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Es
ist ganz allgemein bekannt, thermisch hochbelastete Schaufeln einer
Gasturbine mit einer Kühlungsanordnung
zu versehen. Bei den hier vorrangig interessierenden thermischen
Kombikraftwerksanlagen wird zur Kühlung der thermisch belasteten
Komponenten häufig
Luft aus dem Prozessgasstrom entnommen, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad
der Anlage zum Teil stark verschlechtert.
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Es
wurde deshalb gemäß der
EP 0 674 099 A1 vorgeschlagen,
zur Kühlung
Sattdampf aus einem Abhitzedampferzeuger bzw. überhitzten Dampf aus dem Dampfkreislauf
abzuziehen und den zu kühlenden
Komponenten zuzuführen.
Danach wird der Dampf in eine Dampfturbine des Dampfkreislaufs an geeigneter
Stelle zurückgeleitet.
Ein Hauptvorteil dieses Konzeptes liegt darin, dass aufgrund der
spezifischen Wärmekapazität von Dampf
eine Verbesserung der Kühlwirkung
erzielbar ist, so dass eine Auslegung auf eine höhere Heißgastemperatur möglich ist.
Soweit darüberhinaus
die Kühlung
in einem geschlossenen Kreislauf durchgeführt wird, ergibt sich ein verbesserter
Wirkungsgrad der Kombianlage.
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In
diesem Zusammenhang kommt der Gestaltung der Kühlkanäle der zu kühlenden Schaufel besondere
Bedeutung zu, da diese maßgeblich
für die
Ausnutzung des Kühlpotentiales
des Dampfes und der Vergleichmäßigung der
Bauteiltemperatur sind. Aus der
DE 19860787 A1 von der die Erfindung ausgeht,
ist eine optimierte Kühlungsanordnung
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 Schaufelspitze und einen
Schaufelfuß miteinander
verbunden sind. Im Hohlraum ist ein Strömungspfad in Form von einer
Vielzahl von Kühlkanälen integriert,
die von einem Kühlmedium,
insbesondere von Dampf, durchströmbar
sind. Jede Schaufel einer entsprechenden Schaufelreihe besitzt einen
Zuführkanal, über den
der Dampf eingespeist wird, sowie einen Abströmkanal, über den der Dampf die jeweilige
Schaufel wieder verlässt.
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Die
US 5640840 A beschreibt
weiter, wie Dampf zur Kühlung
mehrerer nacheinander geschalteter Stufen einer Gasturbine verwendet
wird.
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Obwohl
sich derartige Kühlungsanordnungen
bestens bewährt
haben, sind sie unter dem Aspekt der Ausnutzung des Kühlpotentials
des hindurchgeleiteten Dampfes in vielen Fällen als noch nicht optimal
zu betrachten. Auch ist der konstruktive Aufwand beträchtlich,
da jeder Schaufel sowohl ein Zufuhr- als auch ein Abströmkanal für den Dampf
zuzuordnen ist. Schließlich
treten nicht unerhebliche Strömungsverluste
beim Hindurchleiten des Dampfes durch die Schaufel auf, da die Umlenkung
des Dampfes im Bereich des Schaufelfußes auf äußerst begrenztem Raum erfolgen
muss.
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Darstellung der Erfindung
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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 eine
verbesserte Ausnutzung des Kühlpotentials des
hindurchgeleiteten Dampfes ermöglicht
und darüberhinaus
einen vereinfachten konstruktiven Aufbau erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass jeweils zwei oder mehr benachbarte Schaufeln zusammengefasst
werden und die Strömungspfade als
durchgehender, gegenüber
dem Heißgasstrom abgedichteter
Kühlkanal
gestaltet werden. Auf diese Weise kann dem durchströmenden Dampf
eine größere Wärmemenge
zugeführt
werden, wodurch der Wirkungsgrad des Dampf-Kreisprozesses erhöht wird.
Weiterhin reduziert sich die Zahl der erforderlichen Anschlüsse, da
lediglich ein Zufuhr- und ein Abströmkanal pro Schaufelgruppe vorzusehen
ist. Bereits im Falle der Verbindung zweier Schaufeln zu einer Zwillingsschaufel
halbiert sich die Zahl der erforderlichen Anschlüsse. Im Falle von Mehrlingsschaufeln
lässt sich
dieser Effekt noch steigern, da die jeweils innenliegenden Schaufeln
ohne derartige Anschlüsse
auskommen.
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Besonders
kostengünstig
können
Verteiler- und Sammelraum aus kreisbogensegmentförmigen Rohren aufbauen. Diese
erlauben eine jeweils deckungsgleiche Ausführung von Verteiler- und Sammelraum,
wobei die Anbringung spiegelbildlich zueinander erfolgt. Auf diese
Weise lässt
sich die Bauteilvielfalt erheblich reduzieren.
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Bevorzugt
sind der Verteiler- und der Sammelraum in einem Gehäuseabschnitt
angebracht. Hierdurch kann eine äußerst platzsparende,
axial kurzbauende Turbinenstufe realisiert werden.
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Entsprechend
hierzu kann ein Umlenkraum als Überleitung
von einer Schaufel zur benachbarten im Bereich eines Plattformabschnittes
integriert sein, wodurch zusätzlich
eine Kühlung
des Schaufelfuß- und
Nabenbereichs erfolgt.
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In
diese Richtung zielt auch eine weitere Variante, bei der der Dampf
am Austritt der betreffenden Schaufel noch weiter zur Kühlung eines
Wärmestausegmentes
verwendet wird, welches eine benachbarte Laufschaufelreihe umgibt.
Der Kühlkanal
ist hierbei somit über
den Bereich der primär
zu kühlenden Schaufelreihe
hinaus verlängert
und ermöglicht
damit die effiziente Kühlung
einer vollständigen
Turbinenstufe.
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Je
nach Aufbau der zu kühlenden
Schaufel kann der Kühlkanal
aus mehreren, im Wesentlichen parallel verlaufenden Teilkanälen aufgebaut
sein. Diese Maßnahme
erlaubt eine optimale Verteilung des Dampfes und die gezielte Abstimmung
auf diejenigen Bereiche der Wandung, die thermisch besonders stark
beansprucht sind.
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Eine
Variante sieht vor, einzelne Teilkanäle oder Gruppen von Teilkanälen fluiddicht
voneinander getrennt anzuordnen. Diese Konzeption stellt sicher, dass
keine Vermischung der einzelnen Teil-Kühlströme erfolgt. Dieser Effekt kann
beispielsweise mit Vorteil dazu benutzt werden, entweder unterschiedliche Kühlmedien
oder aber Kühlmedien
unterschiedlicher Zustandsgrößen bestimmten
Bereichen der Schaufel gezielt zuzuführen, um auf diese Weise eine
optimale Abstimmung auf von außen
aufgeprägte
Temperaturverteilungen vorzunehmen.
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Unter
diesem Aspekt ist auch eine Reihe weiterer bevorzugter Ausführungsformen
zu sehen, die insbesondere radiale Temperaturgradienten kompensieren
soll und darüber
hinaus der Tatsache Rechnung trägt,
dass beim Durchtritt des Dampfes durch den Strömungskanal eine Erwärmung stattfindet,
wodurch sich die für
die Wärmeübertragung
zur Verfügung
stehende Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf und der Schaufelwand ändert.
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Zur
Einstellung einer konstanten Wärmeabfuhr
bzw. Wärmeübertragungsbedingung
kann einerseits ein in Strömungsrichtung
des Kühlmediums
abnehmender Querschnittsverlauf des Kühlkanals vorgesehen werden.
Für die
meisten, in der Praxis relevanten Anwendungsfälle ist es nicht erforderlich,
eine idealisierte, kontinuierliche Querschnittsverringerung zu realisieren.
Vielmehr genügt
es häufig,
einen geometrisch einfach aufgebauten Verdrängungskörper im Strömungspfad an geeigneter Stelle
zu integrieren. Ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau ergibt
sich, wenn der Verdrängungskörper durchgehend
zwischen Schaufelfuß und
Schaufelspitze einer Schaufel angeordnet ist. Im Falle einer Zwillingsschaufel
ist beispielsweise die erste Schaufel mit einem gradlinig verlaufenden
Hohlraum versehen, wohingegen die zweite Schaufel bei übereinstimmender Hohlraumkontur
mit einem in den Hohlraum eingesetzten Verdrängungskörper versehen ist. Der Verdrängungskörper kann
einen variablen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen in Strömungsrichtung
zunehmenden Querschnittsverlauf, so dass der im Hohlraum verbleibende
Restquerschnitt dem idealen rechnerischen Querschnittsverlauf weitgehend angenähert ist.
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Alternativ
ist es auch möglich,
den Querschnitt in Strömungsrichtung
unverändert
zu belassen und dafür
turbulenzerzeugende Elemente, beispielsweise in Form von Prallblechen
oder Stegen vorzusehen. Diese Elemente können ferner hinsichtlich ihrer
Fläche
in Strömungsrichtung
zunehmen, wodurch der Erhöhung
der Kühlmitteltemperatur durch
eine Vergrößerung der
Wärmeübertragungszahl
Rechnung getragen wird. Die Anbringung empfiehlt sich insbesondere
in Abschnitten hoher thermischer Belastung, also insbesondere im
Bereich der Vorderkante.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand schematischer Darstellungen wiedergegeben. Es zeigen:
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1 Zwillingsschaufel
in perspektivischer Ansicht;
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2 Zwillingsschaufel
gemäß 1,
Axialschnitt;
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3 Zwillingsschaufel
gemäß 1,
Radialschnitt;
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4 Verteiler-
und Sammelraum, Teilansicht;
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5 Verteilerraum
in perspektivischer Ansicht;
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6 Verteiler-
und Sammelraum in Draufsicht;
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7 Schaufel
gemäß einer
Ausführungsvariante,
Radialschnitt.
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In
den 1 bis 3 ist die Zwillingsanordnung
zweier Schaufeln 1 dargestellt. Die beiden Schaufeln 1 sind
in radialer Richtung zwischen einem Gehäuseabschnitt 7 und
einem Plattformabschnitt 8 gehalten.
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Jede
der Schaufeln 1 besteht aus einer saugseitigen Wand 11 und
einer druckseitigen Wand 12, die unter Bildung eines Hohlraumes über eine Vorderkante 14 und
eine Hinterkante 15 miteinander verbunden sind. Die saugseitige
Wand 11 und die druckseitige Wand 12 gehen im
Bereich einer Schaufelspitze 17 in den Gehäuseabschnitt 7 und
im Bereich eines Schaufelfußes 18 in
den Plattformabschnitt 8 über.
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Im
Inneren der Schaufel entsteht somit ein Hohlraum 10, der
in der nachstehend näher
beschriebenen Art und Weise von einem Kühlmedium K, insbesondere von
Dampf durchströmbar
ist. Der Strömungspfad 10 ist
gegenüber
einem Heißgasstrom
H abgedichtet, so dass keine Vermengung des Kühlmediums K mit Heißgas H erfolgen
kann.
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Ausgehend
vom Strömungspfad 10 der
in den 1 bis 3 links dargestellten Schaufel 1 entsteht
ein Kühlkanal,
der im Bereich eines Umlenkraumes 20, der im Plattformabschnitt 8 integriert
ist, zu dem Strömungspfad 10 der
rechts dargestellten Schaufel 1 übergeht.
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In
dem Strömungspfad 10 der
rechten Schaufel 1 ist ein Verdrängungskörper 30 eingesetzt, der
die Schaufel 1 in radialer Richtung durchgehend zwischen
dem Plattformabschnitt 8 und dem Gehäuseabschnitt 7 durchsetzt.
Der auf diese Weise entstehende Kühlkanal besitzt somit am Eintritt
der linken Schaufel, das heißt
im Bereich deren Schaufelspitze 17 einen maximalen Querschnitt,
der aufgrund der Schaufelgeometrie in Strömungsrichtung des Kühlmediums
K zunächst
bis zur Ebene des Schaufelfußes 18 kontinuierlich
abnimmt. Im weiteren Verlauf, nämlich
in der Ebene des Schaufelfußes 18 der
rechten Schaufel 1 verringert sich der Querschnitt durch den
Verdrängungskörper 30 weiter,
bis er schließlich beim
Verlassen der Schaufel 1 im Bereich der Schaufelspitze 17 seinen
Minimalwert erreicht.
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Die
mit der Strömungsrichtung
des Kühlmediums
K fortschreitende Querschnittsverringerung ist so bemessen, dass
die zunehmende Erwärmung
des Kühlmediums
K und die damit für
die Wärmeübertragung
zur Verfügung
stehende abnehmende Temperaturdifferenz kompensiert werden.
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Die
Zu- und Abfuhr des Kühlmediums
K erfolgt über
einen Verteilerraum 28 und einen Sammelraum 29,
wie sie insbesondere in den 4 bis 6 dargestellt
sind. Der Verteilerraum 28 und der Sammelraum 29 sind
als deckungsgleiche, kreisbogensegmentförmige Rohre ausgeführt. Zweckmäßigerweise
erfolgt die Aufteilung in Halbbogen, um die bei stationären Gasturbinen
häufig
anzutreffende horizontale Gehäuseteilung
zu ermöglichen.
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Die
Zuführung
des Kühlmediums
K erfolgt über
einen zentral am Verteilerraum bzw. Rohr 28 angeordneten
Stutzen 28a und verlässt
den Sammelraum bzw. das Rohr 29 über einen entsprechenden, ebenfalls
zentral angeordneten Stutzen 29a. Zwischen dem Rohr 28 und
den jeweiligen eintrittsseitigen Schaufeln sind Verbindungsstücke 28b vorgesehen,
korrespondierend hierzu sind austrittsseitig Verbindungsstücke 29b am
Rohr 29 befestigt.
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Wie
insbesondere aus 6 ersichtlich ermöglicht die
spiegelbildliche Anordnung der beiden Rohre 28, 29 die
Anbindung jeweils jeder zweiten Schaufel an den Verteilerraum 28 bzw.
den Sammelraum 29.
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In 7 ist
eine Schaufel 1 dargestellt, bei der der Hohlraum zwischen
der saugseitigen Wand 11 und der druckseitigen Wand 12 durch
eine Trennwand 13 in einen Teilkanal 10a und 10b aufgeteilt
ist. Die Trennung zwischen den Teilkanälen 10a, 10b ist fluiddicht
ausgeführt,
so dass beispielsweise die Möglichkeit
besteht, Dampf unterschiedlichen Drucks zu verwenden. So kann überhitzter
Dampf mit höherem
Druck zur Kühlung
der thermisch höher
belasteten Region der Schaufel 1 im Bereich der Vorderkante 14 verwendet
werden, während
Dampf mit niedrigem Druck zur Kühlung
der schwächer
belasteten Region im Bereich der Hinterkante 15 vorgesehen
ist.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Kühleffektivität sind Prallbleche 32 eingesetzt,
die als Turbulenzerzeuger dienen.
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Es
versteht sich von selbst, dass die Größe und/oder die Anordnungsdichte
der Prallbleche 32 in Strömungsrichtung des Kühlmediums
K betrachtet zunehmen kann, um der durch den Wärmeeintrag bewirkten Temperaturerhöhung Rechnung
zu tragen. Ebenso ist es möglich,
anstelle nachträglich
eingesetzter Prallbleche 32 Stege vorzusehen, die beispielsweise
während
des Gießvorganges
bei der Herstellung der Schaufel 1 direkt angeformt werden. Darüber hinaus
bietet sich bei gegossenen Schaufeln an, den Querschnittsverlauf
der Kühlkanäle 10, 10a, 10b bereits
bei der Formgebung so zu konturieren, dass zusätzliche Maßnahmen zur Ausschnittsverengung,
wie die vorstehend beschriebenen Verdrängungskörper 27, entfallen
können.
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Schließlich besteht
auch die Möglichkeit,
die Kühlkanäle 10, 10a, 10b zeitlich
nacheinander mit unterschiedlichen Kühlmedien zu beaufschlagen.
So steht im Falle einer Gasturbine eines Kombikraftwerkes beim Anfahren
in der Regel noch kein Dampf zur Verfügung. Es bietet sich deshalb
an, zunächst
Luft aus dem Verdichter abzuzweigen und zur Kühlung der Schaufeln zu verwenden.
Sobald der Anfahrvorgang abgeschlossen und Dampf vorhanden ist,
wird dieser anstelle der Verdichterluft eingespeist. Die Umschaltung
erfolgt in an sich bekannter Weise mittels Ventilsteuerung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaufel
- 7
- Gehäuseabschnitt
- 8
- Plattformabschnitt
- 10
- Strömungspfad,
Kühlkanal
- 10a
- Teilkanal
- 10b
- Teilkanal
- 11
- saugseitige
Wand
- 12
- druckseitige
Wand
- 13
- Trennwand
- 14
- Vorderkante
- 15
- Hinterkante
- 17
- Schaufelspitze
- 18
- Schaufelfuß
- 20
- Umlenkraum
- 28
- Verteilerraum,
Rohr
- 28a
- Stutzen
- 28b
- Verbindungsstück
- 29
- Sammelraum,
Rohr
- 29a
- Stutzen
- 29b
- Verbindungsstück
- 30
- Verdrängungskörper
- 32
- Prallblech
- H
- Heißgasstrom
- K
- Kühlmedium
