DE2155107A1

DE2155107A1 - Gasturbine mit einem Übergangsteil

Info

Publication number: DE2155107A1
Application number: DE19712155107
Authority: DE
Inventors: Carl Frederick Scotia N.Y. Wilhelm jun. (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-11-23
Filing date: 1971-11-05
Publication date: 1972-05-25
Also published as: FR2115343B1; FR2115343A1; NL7112400A; CH538602A; US3652181A; GB1311630A; JPS5411443B1; IT941241B

Description

Anmelder: General Electric Company, Schenectady, N.Y., USA

Gasturbine mit einem Übergangsteil

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einem Übergangsteil und insbesondere auf einen Aufbau zur Kühlung des Übergangsteils in Gasturbinen-Triebwerken, bei denen heiße Verbrennungsgase von der Brennkammer der Turbine zugeführt, werden.

Bei industriellen Gasturbinen wird im allgemeinen die Verdichterluft einem Wandgehäuse zugeleitet, das einen Brennkammereinsatz umgibt, in dem die Verbrennung stattfindet? von hier werden die heißen Gase zu der Turbine geleitet, die in einigem Abstand von der Brennkammer-Ausströmungsöffnunq angeordnet ist. Um die heißen Gase von der Ausströmungsöffnung des Brennkammereinsatzes zu der Düse zu leiten, ist im allgemeinen ein "Übergangsteil" vorgesehen, das teilweise von der Verdichterluft auf derem Weg zu der Brennkammer gekühlt wird. Einige Teile des Überga.ngsteils sind auf diese Weise aber verhältnismäßig schwierig zu kühlen, insbesondere solche Stellen, die für den Kühlluftstrom verhältnismäßig unzugänglich sind. Eine solche Stelle ist der radial verlaufende Außenbereich des Übergangsteils, der sehr nahe

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bei der Turbine liegt.

Eine weitere, bei Gasturbinen auftretende Schwierigkeit stellt die Temperaturverteilung in den heißen Gasen aus der Brennkammer dar. Der Gasstrom sollte so "profiliert" sein, daß das kühlere Gas entlang des radial verlaufenden, inneren Bereichs des Gasstromes strömt, wo die Belastungen der sich drehenden Turbinenschaufeln sehr hoch sind.

Konstruktionen, durch die der radiale Temperaturgradient der Verdichterluft von der Einströmungsöffnung zu den ersten Turbinenstufen verbessert ist, sind in den US-Patentschriften 2 806 355, 3 135 496 und 3 490 747 beschrieben. Bei allen vorerwähnten Konstruktionen ist die "Profilierung" der Luft unmittelbar über die Wand in der Bahn der heißen Gase erreicht. Bei diesen Kunstruktionen findet eine geringfügige Kühlung der Wand selbst durch die "Profilierung" der Luft statt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Aufbau zur Kühlung der unzugänglichen Wandbereiche des Übergangsteils in einer Gasturbine zu schaffen. Weiterhin soll die Erfindung einen Aufbau zur Einführung der Verdichterluft in die Bahn der heißen Gase schaffen, um den Radialtemperaturgradient in einer Gasturbine zu "profilieren".

Gemäß der Erfindung ist eine Kühlmanschette vorgesehen, die das Ende des Übergangsteils an der Turbinen-Einströmungsöffnung umgibt und einschließt. Über Einströmungslöcher in der Manschette trifft Kühlfluid oder Kühlluft auf das Übergangsteil auf, wodurch dieses zusätzlich zu einer gewissen Konvektionskühlung gekühlt wird. Diametral gegenüber den Einströmungslöchern sind Öffnungen durch das Übergangsteil in dem heißen Gasstrom so festgelegt, daß die Kühlluft um das Übergangsteil herum strömt, um es zu kühlen, bevor es in den heißen Gasstrom einströmt, um den Fußbereich der Turbinenschaufeln zu kühlen.

Bei einer Hochleistungsgasturbine wird gemäß der Erfindung das Übergangsteil, das von der Brennkammer-Ausströmungsöffnung zu der ersten Turbinenstufe führt, mittels einer das Übergangsteil umgebenden Manschette gekühlt, durch das die Verdichterluft auf der einen Seite zugeführt und nach Kühlung des Übergangsteils in den heißen Verbrennungsgasstrom eingeleitet wird, wodurch

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der radiale Temperaturgradient an der Turbinendüse verbessert wird.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden anhand der Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen horizontalen Teilguerschnitt eines Gasturbinen-Triebwerks, in dem die Anbringung des Übergangsteils dargestellt ist?

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des einen Endes des Übergangsteils mit der Kühlmanschette gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Übergangsteil und die Kühlmanschette entlang den Linien III-III in Fig. 2.

In dem in Fig. 1 dargestellten Teil eines Gasturbinen-Triebwerks ist ein Teil des Verdichters 1, der Brennkammer 2 und der Turbine 3 gezeigt. Der Verdichter 1 weist eine Ausströmungsöffnung 4 auf, die in eine geschlossene Kammer 5 mit einem gekrümmten Übergangsteil 6 mündet. Das Übergangsteil 6 ist mit dem offenen, kreisförmigen Ende eines Brennkammereinsatzes 7 mit einem Bogen radial verlaufender, feststehender Düsenwandungen 8 verbunden und ist entsprechend dem Strömungsübergang von einer kreisförmigen Einströmungsöffnung zu einer gewölbten Ausströmungsöffnung gebogen. Eine Anzahl derartiger Übergangsteile 6 und Brennkamme reinsätze 7 sind in Abstand zueinander am Unfang der Gasturbine angeordnet, von denen zur Vereinfachung nur eine dargestellt ist. Der Turbinenteil weist zusätzliche sich drehende Turbinenschaufeln 9 und feststehende Leitschaufeln 10 in der ersten Turbinenstufe auf.

Der bisher beschriebene Aufbau ist allgemein bekannt. Die Erfindung weist vielmehr eine zusätzliche Kühlmanschette 11 auf, die das Ende des Übergangsteils 6 umgibt.

Wie in Fig. 2 und dem Querschnitt in Fig. 3 dargestellt ist, weist das Ende des Übergangsteils 6 an der Einströmungsöffnung zu den Turbinendüsen-Wandungen 8 eine Manschette 11 aus Blech auf, die in der Form der Krümmung des Übergangsteils angepaßt, aber in Abstand von diesem mittels eines gekröpften Randes

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12 angeordnet ist, der mit dem Übergangsteil 6 punktgeschweißt oder auf andere Weise an dem Teil 6 dicht befestigt ist. Die Manschette 11 ist so bemessen, wie in den Zeichnungen dargestellt ist, daß ein Zwischenraum bzw. Durchlaß 13, der das Übergangsteil 6 umgibt, für die Strömung von Kühlluft zwischen dem Übergangsteil und den Manschettenwänden freibleibt. Das Übergangsteil besitzt eine obere Wand 14 und eine Bodenwand 15. Die Manschette weist ebenfalls eine obere Wand 16 und eine Bodenwand 17 auf. In der Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet "obere Wände" bezüglich der Gasturbinenachse radial verlaufende Außenwände und "Bodenwände" bezüglich der Achse radial verlaufende Innenwände.

Die obere Wand 16 der Manschette ist mit einer großen Anzahl kleiner Einströmungslöcher 18 durchlöchert, die so verteilt sind, daß das Kühlfluid bzw. die Kühlluft auf die obere Wand 14 des Übergangsteils 6 auftrifft; die Bodenwand 17 der Manschette 13 ist nicht durchlöchert. Andererseits ist die Bodenwand 15 des Übergangäeils mit einer geringeren Anzahl erheblich größerer Luft-Ausströmungsöffnungen 19 zur Temperaturprofilierung perforiert? die obere Wand 14 des Übergangsteils weist keine Löcher auf. Die Luft strömt dann bei den Einströmungslöchern 18 ein, umströmt in beiden Richtungen die Seitenflächen des Übergangsteils und strömt durch die Öffnungen 19 wieder aus.

Die Einströmungslöcher 18 sind bezüglich der Oberfläche der oberen Wand 19 des Übergangsteils verteilt und in ihrer Größe so gewählt, daß zur Kühlung die Luft durch verhältnismäßig kleine Luftdüsen auf die Oberfläche der Wand 14 auftrifft. In der dargestellten Ausfuhrungsform haben sich beispielsweise ungefähr 150 Löcher von 3 mm (1/8 inch) Durchmesser für Gasturbinen in dem 15 bis 75 mw Ausgangsbereich als zweckmäßig erwiesen.

Die Ausströmungsöffnungen 19 sind zu einem andern Zweck; d.h. zum Einströmen von Luft so angeordnet und bemessen, um eine radiale Temperaturprofilierung des heißen Gases zu schaffen, das durch das ttbergangsteil 6 strömt. Die Öffnungen sind in ein oder zwei Reihen angeordnet und sind in ihrem Durchmesser größer, um die radiale Geschwindigkeit zu verringern und Luft am Fuß des Dü-

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senteils 8 zu halten. In der dargestellten Ausführungsform haben sich zwei Reihen von ungefähr 10 Öffnungen mit jeweils 9 bis IO mm (3/8 inch) Durchmesser als zweckmäßig erwiesen.

Die Erfindung arbeitet etwa folgendermaßen: In Fig. 1 kühlt die aus der Ausströmungsöffnung 4 des Verdichters ausströmende Luft das Übergangsteil 6 auf dem Weg zur Brennkammer. Ein Teil der Verdichterluft strömt auf den verhältnismäßig unzugänglichen, radial verlaufenden äußeren oder "oberen" Teil des Übergangsteils und wegen der bestehenden Druckdifferenz von dort in die Luft-Einströmungslöcher 18. Die sehr kleinen Luftdüsen der zahllosen kleinen Einströmungslöcher 18 treffen auf die gewölbte Oberfläche der oberen Wand 14 des Übergangsteils auf und kühlen sie wirksam. Die Luft strömt dann an den Seitenflächen des Übergangsteils 6 entlang und kühlt diese aufgrund der Konvektion. Am*Boden des übergangsteils 6 strömt die teilweise erwärmte Luft dann durch die Ausströmungsöffnungen 19 in den radialen inneren Bereich der heißen Gase, die durch das Übergangsteil 6 strömen. Obwohl die Luft durch das Kühlen der Außenfläche des Übergangsteils etwas erwärmt worden ist, ist sie trotzdem sehr wirksam bei der "Temperierung" oder "Profilierung" der heißen, in die Turbine einströmenden Verbrennungsgase.

Gemäß der Erfindung ist somit eine sehr wirksame Einrichtung zur Kühlung von unzugänglichen Teilen des Übergangsteils sowie ein wirksamer Weg geschaffen, um Luft in die Gasbahn zur Profilierung des Tempaaturgradienten einzuführen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Gasturbine mit einem Übergangsteil, mittels dem heiße Verbrennungsgase von einer Brennkammer zu einer Turbinen-Einströmungsöffnung geleitet werden und das in einer Kammer angeordnet ist, an die ein unter Druck gesetztes Kühlfluid angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsteil (6) einander gegenüberliegende obere (14) und Bodenwände (15) aufweist, daß eine Manschette (11) das Übergangsteil (6) umschließt, im Abstand zu diesem angeordnet ist und einander gegenüberliegende obere (16) und Bodenwände (17) aufweist, die im Ab-■k stand zu den entsprechenden oberen (14) und unteren Wänden (15) des Übergangsteils angeordnet sind, daß die obere Wand (16) der Manschette (11) durchlöchert und so angeordnet ist, daß das Kühlfluid wie aus Düsen zur Kühlung auf die obere Wand (14) des Übergangsteils (6) auftrifft, und daß in der Bodenwand (15) des Übergangsteils (6) Öffnungen (19) so angeordnet sind, daß das Kühlfluid von der Manschette (11) zur Profilierung der heißen, in die Turbine einströmenden Verbrennungsgase in das Innere des Übergangsteils (6) einströmt.
2. Gasturbine mit einem Übergangsteil laut Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen (14, 16) und die Bodenwände (15, 17) gewölbte Oberflächen aufweisen, daß

W die oberen Wände (14, 16) größere Oberflächenbereiche als die Bodenwände (15, 17) aufweisen, und daß in der oberen Wand (16) mehr Löcher (18) mit einem kleineren Durchmesser angeordnet sind als Öffnungen (19) in der Bodenwand (15).
3. Gasturbine mit einem Übergangsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (11) ein Blechmantel ist, der das Übergangsteil (6) umschließt, etwa in gleichem Abstand zu diesem angeordnet und mittels gekröpfter Ränder (12) dicht an dem Übergangsteil (6) befestigtist.

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