DE2037816A1

DE2037816A1 - Kühleinrichtung fur Gasturbinengehause

Info

Publication number: DE2037816A1
Application number: DE19702037816
Authority: DE
Inventors: Richard Warren Moyer Wayne Burdell Gentile (verstorben), Schenectady, N Y (V St A)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-08-04
Filing date: 1970-07-30
Publication date: 1972-02-17
Also published as: NL7011485A; NO142969B; NO142969C; US3631672A; GB1317992A; NL169772C; CH512664A

Description

Kühleinrichtung für Gasturbinengehäuse

Im allgemeinen bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Kühleinrichtung für eine Strömungsmaschine mit einem elastischen Strömungsmedium hoher Temperatur. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kühleinrichtung, durch die das Turbinengehäuse und das Austrittsgehäuse einer Gasturbinenanlage gekühlt werden, indem man im Betrieb der Gasturbine an einer Stelle entnommene unter Druck stehende Luft - nachstehend Prozeßluft genannt - in Verbindung mit atmosphärischer oder sekundärer Luft verwendet.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad und die Leistung einer Strömungsmaschine mit einem elastischen Strömungsmedium, insbesondere einer Gasturbinenanlage, durch Erhöhung der Arbeitstemperatur des elastischen Mediums erhöht werden kann. Natürlich müssen, wenn die Temperatur des elastischen Mediums wächst, die Strukturelemente der Maschine neu konstruiert und/oder ge-

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kühlt werden, um enge Toleranzen einzuhalten und dgl. mehr.

Eines der Strukturelemente_s Welches normalerweise eine Kühlvorrichtung erfordert, wenn es bei hohen Temperaturen wirksam arbeiten soll, ist das Turbinengehäuse. Im Idealfall sollte die Kühleinrichtung für ein Turbinengehäuse so ausgebildet sein, daß sie leicht ausführbar ist, leistungsfähige und wirkungsvolle Wärmeaustauscheigenschaften aufweist, wirtschaftlich herzustellen, einfach und betriebssicher ist. Ein anderes Element, welches eine Kühlung erfordern kann, ist das Austrittsgehäuse. Natürlich ist es selbstverständlich, daß andere Elemente ebenso gekühlt werden können und daß die oben erwähnten beiden Anwendungsfälle nur beispielsweise genannt wurden.

Zum Stand der Technik gehörte ein Verfahren zur Kühlung von Turbinengehäusen, welches aus einem Wasserumlauf-Kühlsystem bestand. Dieses System war konstruktiv aufwendig und erforderte viele Zusatzelemente außer dem Kühlmantel um das Gehäuse herum. Schwierigkeiten ergaben sich ferner an den Verbindungsstellen der Gehäuseteile. Ein weiteres mit einem Wasserkühlungssystem verbundene Problem sind die hohen thermischen Belastungen_s welche in dem Gehäuse auftreten und dadurch die Wahl von billigen Gehäusematerialien ausschließen, während sie zusätzlich Toleranzprobleme schaffen. Es ist erwünscht, einerseits die Konstruktion des Kühlungssy3tems zu vereinfachen und andererseits für eine gleichmäßige Kühlung zu sorgen.

Es ist bekannt, daß andere Elemente innerhalb einer Gasturbinenanlage durch die Zirkulation von Proseßluft gekühlt werden können. Die Verwendung v„on Prozeßluft ergibt geringe Wirkungsgrad-Verluste, jedoch überwiegen die Vorteile diese Verluste bei weitem. Da das Verfahren zur Kühlung von Gasturbinen^ lementen einfach und wirtschaftlich anwendbar ist, ist es wünschenswert, das Turbinengehäuse auf ähnliche Welse &u kühlen, indem man Proseßluft und atmosphärische Luft verwendet, um die notwendige Druckerhöhung und Durchflußmeng© pro Zeiteinheit au schaffen,-und eine vollständig® Kühlung der heißen Bereiche des Gasturbinengehäuses zu erzielen. 209808/0785

Krafterzeugungs- oder Maschinenanlagen dieser Art sind im Freien installiert und für gewöhnlich vollständig gekapselt, um einen Schutz vor Schlechtwetterbedingungen zu schaffen. Zwischen den Gehäusebereichen der Maschinenanlage und der äußeren Abdeckung sind verschiedene Abteile oder Luftzwischenräume gebildet. Die Luft kann in diese Abteile eintreten, um als Wärmeaustaus ehe rmedi um zu wirken und Wärme, die von dem heißen Gehäuse erzeugt wird, abzuführen, jedoch ist es als Ergebnis des Wärmeaustauschs notwendig, eine Ventilationsvorrichtung vorzusehen, um einen wirksamen Wärmeaustausch zwischen den heißen Gehäusebereichen und der zirkulierenden atmosphärischen Luft ( zu schaffen.

Es ist daher die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Prozeßluft in Verbindung mit atmosphärischer Luft als Kühlmedium für das heiße Turbinengehäuse zu verwenden.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem zu schaffen, welches sowohl in der Konstruktion als auch in der Arbeitsweise einfach ist.

Eine weitere Aufgabe ist es für eine gleichmäßige Kühlung aller heißen Gehäusebereiche zu sorgen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel für eine verbesserte Ventilation abgeteilter Räume zu schaffen.

Diese und andere Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen zu entnehmen, welche zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, des Teils einer Gasturbinenanlage, welcher die vorliegende Erfindung bildet.

Fig. 2 einen Teil des Turbinengehäuses mit Einzelheiten der vorliegenden Erfindung.

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Pig. 3 einen Teil des Turbinengehäuses mit einem abgeänderten Ausführungsbeispiel.

Kurz gesagt besteht die Erfindung darin_s Kühlkanäle in einem Gasturbinengehäuse anzuordnen und zahlreiche Ejektoren (eductors),bestehend aus Rohren mit Strahldüsen entlang dem Umfang des Gehäuses, so anzuordnen, daß ein unter Druck stehendes Medium in die Kühlkanäle ausgestoßen vrird. Das unter Druck stehende Medium vermischt sich mit der Sekundär-Luft aus der Atmosphäre, welche das Gehäuse umgibt und veranlaßt dadurch, die Kühlmischung durch die Kanäle hindurchzuströmen, was einen Wärmeaustausch zwischen dem Gehäuse und dem Strom des Kühlmediums zur Folge hat.

Betrachtet man die Fig. 1 der Zeichnungen, so ist hierin der Teil der Axial-Gasturbine dargestellt, welcher für die vorliegende Erfindung wesentlich ist. Es ist offensichtlich, daß, obwohl die dargestellten Elemente von einer Gasturbinenanlage stammen, die technische Lehre der vorliegenden Erfindung auch bei anderen Strömungsmaschinen zur Anwendung kommen kann.

Konstruktion und Arbeitsweise einer Axial-Gasturbine sind bekannt. Teile, die für die Erfindung unwesentlich sind, sind daher nur allgemein beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt drei Abschnitte der Gasturbine, beginnend mit der Verkleidung der Brennkammer, welche mit 1 bezeichnet ist, dem Gehäuse der Turbine 2, dessen axiale Länge durch die Klammer angezeigt ist, und das Austrittsgehäuse, allgemein mit 3 bezeichnet. Nicht dargestellt ist der Kompressorabschnitt. Das Gasturbinengehäuse ist im allgemeinen mit einer äußeren Abdeckung 2a versehen, welche die Gasturbinenteile vor Schlechtwetterbedingungen schützt. Es bildet zusammen mit der Maschinenanlage ein äußeres Abteil oder einen Luftraum 3a, welcher zur Atmosphäre hin an verschiedenen Punkten offen ist. Es ist natürlich klar, daß eine äußere Abdeckung kein wesentliches Arbeits·

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teil einer Gasturbine darstellt, sondern nur angewendet wird, wenn die Bedingungen es rechtfertigen. Vor einer Beschreibung der Innenteile der Gasturbine sollte noch erwähnt werden, daß die Sekundärluft, mit der bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem gearbeitet wird, aus diesem äußeren Abteil stammt, welches mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Wenn natürlich eine äußere Abdeckung nicht verwendet wird, stammt die Sekundär-Luft direkt aus der Atmosphäre. Dies wird aus der Beschreibung der Arbeitsweise der Erfindung leichter verständlich. Die die Turbine umgebende Struktur wird nachfolgend als das Gasturbinengehäuse bezeichnet. _Λ

Der freigelegte Teil der Fig. 1 zeigt die Elemente innerhalb des Turbinenabschnittes 2 und des Austrittsgehäuses 3 einschließlich der Düsen 4 und 5, welche die Strömung des Antriebsmediums in die Laufschaufeln 6 und 7 einer zweistufigen Turbine richten. Die Laufschaufeln 6 und 7 sind auf dem Umfang eines Laufrades befestigt und drehen sich um die Achse der Gasturbine, wenn ein Antriebsmedium auf ihrer Oberfläche auftrifft. Am Umfang angeordnete Strömungslenk- bzw. Leitflächen 8, 8a dienen zwei Hauptfunktionen:

1. das Antriebsmedium zu lenken, wenn es die erste Turbinenstufe verläßt und den Leitapparat ¹Ia zur zweiten Düse 5 hin durch- | strömt, und

2. um ein ringförmiges inneres Abteil 9 zu bilden.

Das innere Abteil 9 weist eine Verbindung mit der oberen Strom-

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leitfläche 8, den/Äbdeckelementen 10 und 11 sowie dem Turbinengehäuse 2 auf. Das Abteil 9 weist Mittel auf, die den Einlaß eines unter Druck stehenden Mediums- im allgemeinen saubere Prozeßluft - gestatten, welche als Primärmedium für das Ejektorkühlsystem dient. Obwohl die Herkunft der Luft nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, sollte erwähnt werden, daß das unter Druck stehende Medium auch von verschiedenen Quellen stammen kann. Eine solche Quelle ist die von einem Kompressor

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abgegebene Luft, welche von einer Stufe des Kompressors abgezogen wird und in das Abteil 9 gelenkt wird. Es wird bevorzugt, die Prozeßluft als das unter Druck stehende Medium zu verwenden, obwohl die Erfindung nicht auf diese Quelle beschränkt ist, sondern tatsächlich auch eine äußere Quelle eines unter Druck stehenden Mediums verwendet werden kann.

Das Austrittgehäuse 3 besteht in seinem Aufbau aus Streben 12, welche an einer äußeren Büchse I¹I und einer inneren Büchse 14c angebracht sind. Den Auslaßdiffusor bilden am Umfang angeordnete Auslaßseitenwände 13, 13a, die ähnlich den Stromleitflächen 8, 8a konstruiert sind und in dem Austrittsgehäuse 3 zwischen den inneren und äußeren Büchsen angeordnet sind, um die Austrittsgase von der letzten Stufe der Turbinenlaufschaufeln 7 in die Atmosphäre zu lenken, oder in eine Wärmerückgewinnungseinheit, falls eine solche verwendet wird. Ähnlich dem Abteil 9 wird ein am Umfang angeordnetes ringförmiges Auslaßabteil 15 von der oberen Auslaßseitenwanö 13 und der äußeren Büchse IH gebildet. Ein Ende der Strebe 12 ist sum Auslaßabteil 15 hin offen, damit das Kühlmedium dureh diese hindurchströmen kann, wie aus der nachfolgenden Beschreibung der. Arbeitsweise leicht verständlieh wird. Die gegenüberliegenden Enden der Streben 12 sind offen und stehen mit der Atmosphäre in Verbindung. Nachdem das Kühlmedium die Streben 12 durchströmt hat, wird es eventuell in die Atmosphäre geleitet, wie durch die. Pfeile in Pig. I angedeutet ist.

Das Austrittsgehäuse 3 ist mit dem Turbinengehäuse 2 in axialer Lage verbunden« wie bei 16 angedeutet. Auf ähnliche Weise ist das Brennkaasmergehäuse i mit dem Turbinengehäuse 2 in axialer " Lage bei i? verbunden»

In den Pig, ί -ma 2_S in <bmn gleiche Bazugsaeichen gleiche Teile bezeichnen, isö ©in Ejelr/coFfsfer- 18 geseigt_s welctes in dem Turbinengehäuse 2 angeordnet; ist. Sine Jtassabl s,oleher Ejektoren sind am Umfang des Türfoirissigehäug©© ang©os?axi@t ₈ um für eine

\äsm. giöiehmälig® Kühlung ^u sorgen. Das Ejektor-209808/078S

rohr 18 weist einen geringen Durchmesser auf und ist um 90 umgebogen. An einem Ende des Rohres 18 ist eine einfache konvergierende Düse 19 angeordnet, welche im allgemeinen axial gerichtet ist, d. h. sie hat im allgemeinen die gleiche Richtung wie das Turbinengehäuse 2 und die äußere Büchse 14. Das Ende des Ejektorrohres 18, welches der Düse 19 gegenüberliegt, ist zum Abteil 9 hin offen, von wo es das unter Druck stehende Medium erhält, um es in die Kühlkanäle 20 auszustoßen.

Die Düse 19 des Ejektorrohres 18 zielt in den axialen Kühlkanal 20, welcher sich über eine axiale Strecke durch einen Teil des Turbinengehäuses 2 und einen Teil des Austrittsgehäuses I¹J er- % streckt und über die Verbindungsstelle zwischen diesen führt. Der Eingang zu dem Kühlkanal 20 ist im allgemeinen bei 21 abgerundet, um das Mischen und den reibungslosen Durchfluß des unter Druck stehenden Mediums und des sekundären Mediums zu erleichtern. Es wird angenommen, daß der Teil des Turbinengehäuses oder des Austrittsgehäuses, welcher die Kühlkanäle 20 aufweist, notwendigerweise von ausreichender Dicke und diesen Kanälen angepaßt ist, ohne eine unerwünschte Strukturschwächung zu ergeben. Die Kühlkanäle können direkt in den Gehäusewänden gegossen oder auch spanabhebend geformt werden.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das Ejektorrohr 18 in einer Aus- ■ sparung oder einem Sackloch 22 in dem Turbinengehäuse 2 be- " festigt. Die Ejektorrohre sind deshalb in.einer Aussparung 22 befestigt, damit die Gehäusedicke, die für eine Unterbringung der Kühlkanäle 20 erforderlich ist, verringert wird. Das Rohr ist in seiner richtigen Lage durch geeignete Mittel, wie z. B. eine Mutter 2¹J, befestigt.

Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dargestellt, können die Kühlkanäle 20 schräge (konische) Wände aufweisen, um einen Diffusor zu bilden. Der Vorteil einer solchen Konstruktion wird nachstehend in bezug auf die Arbeitsweise des Erfindungsgegenstandes beschrieben und besteht im wesentlichen darin, daß sich bessere Kühlresultate ergeben.

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Arbeitsweise

Die Arbeitsweise des Erfindungsgegenstandes ist wie folgt: Eine Vielzahl von Ejektorrohren mit Düsen sind gleichmäßig über den Umfang des Turbinengehäuses verteilt. Als Quelle eines unter Druck stehenden Mediums gemäß der Beschreibung des Ausführungsbeipiels Luft, kann von einem Kompressor abgeleitete saubere Druckluft dienen. Das unter Druck stehende Medium wird in die Kammer 9 geleitet, von wo es durch das Ejektorrohr 18 fließt. Wenn das unter Druck stehende Medium durch die Düse 19 tritt, liefert diese den erforderlichen Impuls für einen Hochgeschwindigkeitsstrahl, um ein Sekundärmedium, gemäß der Beschreibung, atmosphärische Luft durch die Kühlkanäle gegen einen geringen Staudruck zu beschleunigen und zu transportieren. Es ist ersichtlich, daß man durch Verwendung einer geringen Menge eines unter Druck stehenden Mediums aus der Prozeßluft auf diese Weise, im Vergleich zu solchen Konstruktionen, bei denen Prozeßluft alleine verwendet wird, eine große Gesamtdurchflußmenge von Kühlluft erreicht. Nur IQ bis 15 % des gesamten Kühlmediums des Prozeßmediums wird abgezogen, wodurch ein hoher Wirkungsgrad aufrecht erhalten bleibt, während die Kühlungseigenschaften wesentlich verbessert werden. Wenn das Kühlmedium durch die Kühlkanäle hindurchtritt, entzieht es dem Gehäuse Wärme. Die DurchfLußmenge pro Zeiteinheit durch die Kählkanäle bestimmt selbstverständlich das Ausmaß der Kühlung. Indem man den Durchmesser der Ejektorrohren erhöht, mischt man eine größere Menge von Primärluft mit dem Sekundärmedium und erhält dadurch eine größere Durchflußgeschwindigkeit, welche ihrerseits die Abkühlgeschwindigkeit erhöht. Ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit besteht, wie vorher erwähnt, in dem Einbau eines Diffusors. Dadurch erhält man die zusätzliche Druckrückgewinnung, welche erforderlich ist, um die Durchflußgeschwindigkeit zu erhöhen. Die abgerundeten Kanten am Eingang der Kühlkanäle 20 ergeben eine wirksame Übergangsfläche, wenn das unter Druck stehende Medium mit dem Sekundärmedium gemischt wird und in den Kühlkanal eintritt. Nachdem das Kühlmedium die Kühlkanäle

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passiert hat, tritt es in die Kammer 15 ein, wo es sowohl die äußere Büchse 14 als auch die Seitenwand 13 des Diffusors kühlt, bevor es die Streben 12 durchströmt und diese kühlt. Nachdem das Kühlmedium die Streben durchströmt hat, wird es durch geeignete Mittel in die Atmosphäre gelenkt und kühlt auf seinem Strömungspfad weitere Teile. Es ist zu erwähnen, daß das Kühlmedium auch zu einem früheren Zeitpunkt in die Atmosphäre austreten kann,wenn eine solche Arbeitsweise gewünscht wird.

Ein direkter Nutzen der Verwendung atmosphärischer Luft als Sekundärmedium ist die Ventilation des äußeren Abteils. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das äußere Abteil - " wie vorher erwähnt - von der wetterfesten Abdeckung und dem Turbinengehäuse gebildet. Wenn das unter Druck stehende Medium aus der Düse austritt und in den Kühlkanal eintritt, saugt es Sekundärluft an und dient auf diese Weise der Abteil-Ventilation.

Auf diese Weise wurde ein Kühlsystem für eine Gasturbine beschrieben, welches ein Minimum an Prozeßluft erfordert und keine beweglichen Teile verwendet. Ein einfaches Ejektorkühlsystem arbeitet derart, daß eine vollständige Kühlung der heißen Gehäusebereiche der Gasturbine erfolgt, während gleichzeitig eine Abteilventilatiori «rfolgt, wenn eine äußere Λ Abdeckung der Anlage vorhanden ist.

Selbstverständlich können an den dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeipielen Abwandlungen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu veranlassen. Alle möglichen Kombinationen der beschriebenen, dargestellten und beanspruchten Merkmale werden als erfindungswesentlich betrachtet.

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Claims

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Patentansprüche

Cühleinrichtung für Gasturbinengehäuse, gekennzeichnet durch ein Gasturbinengehäuse (2), zahlreiche Kühlkanäle (20) auf dem Umfang dieses Gehäuses, welche sich entlang einem Teil desselben erstrecken, eine Quelle eines unter Druck stehenden Mediums und zahlreiche Ejektorrohre auf dem Umfang des Gehäuses, die mit der Quelle des unter Druck stehenden Mediums verbunden sind_s so daß dieses von einer Seite in die Kühlkanäle einführbar ist.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Quelle des unter Druck stehenden Mediums komprimierte Proseßluft einsehließt, welche von dem Kompressorabschnitt der Gasturbine ableitbar ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die unter Drack stehende Quelle ein Medium einer äußeren Quelle einschließt.
4. Gasturbine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlkanäle (20) durch erste und aweite Teile des Gehäuses sieh erstrecken und auf jeder Seite einer Verbindungsstelle (16) angeordnet sind und mit- der Atmosphäre an beiden Enden derselben in Verbindung stehen.
5. Gasturbine nach Anspruch I₃ dadurch- gekennzeichnet , daß die Sjektorrohre (18) an einem Ende einen Düsenteil (19) aufweisen, und das unter Druck stehende Medium einen Impuls erzeugt₉ so daß ein Sekundärmedium, welches das Gehalt® umgibt, durch die Kühlkanäle beschleunigt ist.

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6. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlkanäle (20) abgerundete Eingänge (21) aufweisen, um ein Mischen des Sekundärmediums mit dem unter Druck stehenden Medium zu erleichtern.
7. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (20) einen Diffusorabschnitt zur zusätzlichen Druckrückgewinnung aufweisen.
8. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Ende der Kühlkanäle (20) mit den hohlen Streben (12) in Verbindung steht, welche das Austrittsgehäuse tragen, und der Durchfluß des Kühlmediums die Streben kühlt.
9. Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium die Streben (12) durchströmt und danach in die Atmosphäre austritt.
10. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie von einer äußeren Abdeckung für Schlechtwetterbedingungen umgeben ist und die EjektorkÜhleinrichtung eine Ventilation in diesem Raum durchführt.
11. Verfahren zur Kühlung des Gehäuses einer Strömungsmaschine für ein elastisches Medium, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) ein unter Druck stehendes Mediun^iird durch ein Ejektorrohr (18) ausgestoßen und durchströmt das Gehäuse (2),

b) Mischen des unter Druck stehenden Mediums mit Sekundär-Luft; die Mischung durchströmt die Kanäle (20) in dem Gehäuse und entzieht dem Gehäuse Wärme.

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