DE2507182A1

DE2507182A1 - Axialgasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2507182A1
Application number: DE19752507182
Authority: DE
Inventors: Richard M C Lee
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-02-28
Filing date: 1975-02-20
Publication date: 1975-09-04
Also published as: FR2262732A1; CA1012066A; NL7502167A; FR2262732B1; US3945758A; IT1031989B; BE825974A; CH592810A5; GB1484951A; SE7502308L

Description

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Augsburg, den 18. Februar 1975

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh _s Allegheny County, Pennsylvania 15222, V„St_eA.

Axialgasturbinenanlage

Die Erfindung betrifft eine Axialgasturbinenanlage mit einem Verdichter und einer Turbine, welch letztere eine feststehende Konstruktion mit mindestens einem Leitschaufelkranz und einen Rotor mit mindestens einer einen Laufschaufelkranz tragenden Rotorscheibe aufweist,

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weiter mit einer ringförmigen, den Leitschaufelkranz umschließenden äußeren Kühlmittelkammer und mit Mitteln zur Zufuhr von Kühlmittel in diese äußere Kammer, ferner mit einer ringförmigen, radial innerhalb des Leitschaufelkranzes in einem den Rotor umschließenden Dichtungsteil gebildeten inneren Kühlmittelkammer, welche über in den Leitschaufeln gebildete Kühlkanäle mit der äußeren Kammer in Verbindung stehte

Wenn Gasturbinen, die mit hohe Temperaturen aufweisenden Treibgasen betrieben werden, mit erhöhter Leistung arbeiten sollen, besteht ein größerer Kühlbedarf und folglich sind ein wirkungsvollerer Einsatz des Kühlmittels und eine stärkere Auslegung der Verdichter erforderlich, welche das Kühlmittel und das Treibmittel fördern.

Die Schaufeln selbst sind zwar aus teurem hitzebeständigem Werkstoff hergestellt, jedoch gibt es bei einer Gasturbine viele Teile, welche bei geeigneter Kühlung aus normalen Werkstoffen gefertigt sein können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Kühlsystem einer Gasturbinenanlage der eingangs dargelegten

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Art so zu verbessern, daß das heiße Treibmittel an einem Zutritt zu besonders empfindlichen Steller, gehindert wird*

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Dichtungsteil mit Austrittsöffnungen versehen ist, durch welche das Kühlmittel aus der inneren Kammer stromauf des Dichtungsteils zur Rotorscheibe hin und in den Dichtspalt zwischen der Rotorscheibe und dem Dichtungsteil hinein austritt und den Zutritt von heißem Treibmittel in die innere Kammer verhindert.

Unter Druck stehendes Kühlmittel tritt also in die um den Leitschaufelkranz herum angeordnete äußere Kammer ein. Der Druck in dieser äußeren Kammer ist ausreichend hoch, so daß ein gewisser Kühlmittelleckstrom in die betreffende Turbinenstufe hinein austritt und verhindert, daß heißee Treibmittel in die Kühlmittelkammern gelangen kann.

Das unter Druck stehende Kühlmittel gelangt durch die Leitschaufeln hindurch in die innere Ringkammer, welche in der inneren Wandung gebildet ist. Aus dieser inneren Kammer strömt das Kühlmittel in stromaufwärtiger Richtung zwischen eine stromaufseitig der inneren Ringkammer ange-

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ordnete Dichtung und den benachbarten Schulterteil der stromauf benachbarten Rotorscheibe, so daß nur Kühlmittel in den Dichtspalt zwischen dem Rotor und der feststehenden Konstruktion eintritt. Ferner verhindert die Druckdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem heißen Treibmittel, daß heißes Treibmittel in das Innere der Schaufeln und der Kühlmittelkammer gelangen kann. Die Innenflächen der Schaufeln und der Kammern besitzen nicht den Korrosionswiderstand, den die Außenflächen zum Schutz gegen das heiße korrodierende Treibmittel haben.

Eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Pig, I einen Axialschnitt durch einen

Teil einer Gasturbine mit einem Kühlsystem nach der Erfindung,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt

aus Fig, I, der Einzelheiten des Kühl- und Dichtungssystems zeigt, und

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Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung des

Kühlsystemsβ

In den Zeichnungen und insbesondere in Pig» I ist ein Teil einer Gasturbine 10 dargestellt. Dabei ist nur die obere Hälfte und ein Teil der unteren Hälfte der Turbine 10 dargestellt, da die untere Hälfte ebenso wie die obere Hälfte ausgebildet ist· Die Turbine 10 weist ein Außengehäuse 12 mit etwa rohrartiger oder ringartiger Form, ein von diesem Außengehäuse 12 umschlossenes ringförmiges Innengehäuse 14 und einen in nicht dargestellter geeigneter Weise im Innengehäuse 14 gelagerten Rotor 16 auf. Der Rotor 16 besitzt mehrere Rotorscheiben, von denen nur die erste Rotorscheibe 18 und die nächste stromabwärtige Rotorscheibe 20 dargestellt sind. Die Rotorscheiben sind mittels kreisförmig angeordneter Paßbolzen 22 aneinander befestigt, welche durch die Rotorscheiben 18 und 20 hindurchverlaufen und von denen nur ein Bolzen dargestellt ist. Die Rotorscheiben 18 und 20 tragen jeweils einen Laufschaufelkranz 24 bzw. 26 mit radial nach außen ragenden Schaufeln.

Den Laufschaufelkränzen 24 und 26 ist zur Bildung von Expansionsstufen für das Treibmittel eine gleiche

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Anzahl von ringförmigen feststehenden Leitschaufelkränzen und 30 zugeordnet, die vom Innengehäuse 14 getragen werden. Der in Pig. 1 stromabseitig dargestellte Leitschaufelkranz bildet Teil einer dritten Stufe,

Die Laufschaufeln 24 und 26 sind im wesentlichen ähnlich ausgebildet, obwohl eine allmähliche Zunahme der Schaufellänge von Stufe zu Stufe vorhanden ist. Die Schaufeln 24 und 26 gehören der deckbandlosen Bauart an und besitzen ein radial auswärts ragendes Schaufelblatt 32, eine Fußplatte 34 und einen Schaufelfuß 36, der in geeigneter Weise in der Rotorscheibe 18 bzw, 20 befestigt ist.

Ebenso sind die Leitschaufeln 28 und 30 im wesentlichen einander ähnlich ausgebildet und ihre Schaufellänge nimmt von Stufe zu Stufe zu, wie in Pig, I dargestellt ist. Die Schaufeln 28 und 30 weisen jeweils ein radial einwärts ragendes Schaufelblatt 38, ein Basisteil 40 und ein inneres Wandungsteil 42 auf. Die Leit- und Laufschaufeln 28, 30, 24 und 36 begrenzen den Strömungsweg für das heiße Treibmittel.

Das heiße Treibmittel, nämlich unter Druck stehendes

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Gas, wird in einer Anzahl von ringartig angeordneten Brennkammern 44 erzeugt, von denen nur eine dargestellt ist. Den Brennkammern 44 sind Übergangskanäle 46 zugeordnet, deren stromabseitige Enden bogenförmige Auslässe 48 bilden. Diese Auslässe 48 bilden zusammen eine ringförmige Auslaßöffnung und leiten die Treibgase zum ersten Leitschaufelkranz 28. Die Treibgase treten, wie in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet ist, von links nach rechts durch die Leitschaufelkränze 28 und 30 und die Laufschaufelkränze 24 und 26 hindurch. Dabei expandiert das Treibmittel und dreht den Rotor 16 um seine Achse.

Die Brennkammern 44 sind in einer ringförmigen Hochdruckkammer 50 angeordnet und werden mit unter Druck stehender Luft versorgt, welche sich mit nicht dargestelltem Brennstoff vermischt und ein brennbares Gemisch bildet, welches zur Erzeugung des heißen Treibmittels verbrannt wird.

Durch die Hochdruckkanuner 50 hindurch verlaufen Kühlmittelzuleitungen 52 und 54 für die zweite und dritte Stufe, Diese Leitungen nehmen jeweils Kühlmittel von einer Anzapfstelle eines Verdichters 51 auf, von welchen nur ein Teil dargestellt ist. Die Kühlmittelzuleitung 52

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für die zweite Stufe leitet das unter Druck stehende Kühlmittel in eine der zweiten Stufe zugeordnete äußere ringförmige Kühlmittelkammer 56, Die Kühlmittelleitung 54 für die dritte Stufe verläuft durch die Kammer 56 hindurch und leitet das unter Druck stehende Kühlmittel in eine der dritten Stufe zugeordnete äußere ringförmige Kühlmitte lkammer 58, Das den einzelnen Kühlmittelringkammern zugeführte Kühlmittel weist jeweils einen verschiedenen Druck auf, da in jeder Turbinenstufe der zur Verhinderung des Eindringens von heißem Treibmittel, das die Innenflächen beschädigen kann, erforderliche Druck unterschiedlich ist. Indem das Kühlmittel sofort mit verschiedenen Drücken zu den einzelnen äußeren Kühlmittelkammern zugeführt wird, entfällt die Notwendigkeit der Drosselung von Kühlmittelströmen, die von einer Stufe zur nächsten Stufe strömen· Dadurch wird die mit dieser Drosselung verbundene Verminderung des Verdichterwirkungsgrades verhindert.

Alternativ dazu kann das Kühlmittel durch außerhalb angeordnete Leitungen 60 und 62 zugeführt werden, die in Pig, I strichpunktiert angedeutet sind.

Gemäß den Pig, 2 und 3 strömt das unter Druck stehende Kühlmittel durch in den Leitschaufeln gebildete

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Kanäle 6l hindurch, hier beispielsweise durch die Leitschaufeln 38 hindurch, und kühlt dabei diese Schaufeln,

Das Kühlmittel erreicht dann den radial inneren Teil der Leitschaufeln, der in den Fig. 2 und 3 beispielsweise als das innere Wandungsteil 42 gezeigt ist. Das innere Wandungsteil 42 begrenzt eine innere, etwa ringförmige Kammer 60, Diese innere Ringkammer 60 wird außerdem stromaufseitig von einem feststehenden, gebogen geformten Wandteil 62, ferner durch ein inneres gebogenes Dichtungsteil 64, und einem ebenfalls gebogen geformten stromabseitigen Wandteil 72 begrenzt und enthält ein radial gerichtetes Stegteil 66, welches das innere Dichtungsteil 64 trägt, und einen Bolzen 68, welcher das Stegteil 66 mit einem radial einwärts ragenden Vorsprung 70 des inneren Wandungsteile 42 verbindet. Das stromabseitige Wandteil 72 trägt ein Schleifdichtungsteil 74, welches einen Eintritt von heißen Gasen zwischen der stromabseitigen feststehenden Wandung 72 und der benachbarten stromaufseitigen Kante des gegenüberliegenden Schaufelfußes 36 verhindert. An der stromabwärtigen Seite jedes Stegteils 66 ist ein radial verlaufender Kanal 76 angeordnet. Das stromabseitige Wandteil 72 ist am stromabseitigen Ende des Bolzens 68 befestigt. Das unter Druck stehende Kühlmittel

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gelangt aus der inneren Ringkamraer 60 durch Austrittsöffnungen 78 im stromaufseitigen Wandteil 62 hindurch und strömt stromaufwärts zwischen einem am Wandteil 62 befestigten Dichtungsteil 63 und einem Schulterteil 65 der stromaufwärtigen Rotorscheibe 18 hindurch. An der stromaufwärtigen feststehenden Wandung 62 ist eine abschleif bare Dichtung 71 angebracht, die zur Beschränkung des Hindurchströmens von heißen Gasen zwischen der Dichtung und der benachbarten Schulter 69 des zugehörigen Schaufelfußes 36 beiträgta Da der Druck des austretenden Kühlmittels größer als der Druck des heißen Treibmittels in dieser Turbinenstufe ist, kann nur sehr wenig heißes Treibmittel zu den inneren, ungeschützten Oberflächen des gekühlten inneren Wandteils 42 hin durchlecken. Ein Teil des Kühlmittels kann radial innerhalb des Dichtungsteils 64 stromabwärts durch eine Labyrinthdichtung 67 hindurchlecken.

Ein weiterer Teil des Kühlmittels gelangt an den Seiten des Stegteils 66 vorbei in der durch die Pfeile A in Fig. angedeuteten Weise stromabwärts zwischen die stromabseitige Wandung 72 und den stromaufseitigen Schulterteil 73 der stromab benachbarten Rotorscheibe 20, Ein größerer Teil des Kühlmittels tritt durch die radial verlaufenden

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Kanäle 76 aus, welche an der stromabwärtigen Seite des Stegteils 66 angeordnet sind. Die abschleifbare Dichtung I verhindert, daß heißes Treibmittel an die stromaufwärtige Stirnseite der Rotorscheibe 20 gelangen kann.

Ein Strahl unter Druck stehenden Kühlmittels wird aus einem winkelig gerichteten Kanal 80, der durch das Stegteil 66 verläuft, und durch Öffnungen 81 im stromabwärtigen Wandteil 72 in eine Öffnung 82 einer Stirnplatte 84 der stromabseitig benachbarten Rotorscheibe 20 gerichtet. Die Tangentialgeschwindigkeit des Kühlmittels ist mit derjenigen der Rotorscheibe am Kühlmitteleintritt in die Öffnung 82 der Stirnplatte 84 vergleichbar. Die Angleichung der Tangentialgeschwindigkeit des Kühlmittels und der Geschwindigkeit der das Kühlmittel aufnehmenden Öffnung 82 vermindert Kühlmittelturbulenzen und einen damit verbundenen Temperaturanstieg und Druckabfall, der sonst auftreten würde.

Eine alternative Anordnung zur Kühlung des stromabseitigen Rotors ist in Pig, 3 dargestellt und weist etwa radial verlaufende Kanäle 85 auf, die im inneren Dichtungs teil 64 gebildet sind. Diese Kanäle 85 lassen einen Teil des unter Druck stehenden Kühlmittels aus der inneren

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Ringkammer 60 austreten und zwischen den Schulterteilen und 73 der ersten und zweiten Rotorscheibe 18 und 20 (beim vorliegenden Ausführungsbeispiel) hindurch in etwa radial gerichtete Kanäle 87 der Schulter 73 des zweiten Rotors 20 hineinströmen. Diese Kanäle 87 richten das Kühlmittel zur Unterseite und zu den stromaufseitigen Enden der Schaufelfüße 36 der Schaufeln 26.

Es ist gezeigt worden, daß die Erfindung besondere KühlmitteIzuleitungen von gesonderten Anzapfstellen des Verdichters vorsieht, wobei jede Anzapfstelle dem Druckbedarf für eine bestimmte gekühlte Stufe der Gasturbine entspricht. Diese Art der Kühlmittelabzweigung optimiert den Turbinenwirkungsgrad und vermeidet die Wechselwirkungen, die bei einem Kühlsystem mit parallelen Kühlkreisen und einer einzigen Kühlmittelquelle vorhanden sind. Die getrennten Kühlmittelzuführungen zu den Rotorscheiben ist nicht mehr von Dichtungsleckströmen zur Kühlung der stromabseitigen Rotorscheiben abhängig. Dies ermöglicht einen minimalen Spielraum zwischen den Dichtungsteilen und den umlaufenden Teilen, wodurch sich ein minimaler Zutritt von heißen Treibmittel zu ungeschützten Innenflächen von Schaufeln und Kühlmittelkammern ergibt« Die vergrößerte Wirksamkeit durch die

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schräg verlaufenden Kühlmittelstrahlkanäle, die ihre Kühlmittelstrahlen in die stromabseitigen öffnungen 82 richten, ermöglicht kleinere öffnungen zur Aufnahme des Kühlmittels. Dadurch werden Ablenkungs- und Eintrittsverluste an den Rotorscheiben verringert. Der Zustand zwischen den Wandteilen 42 und den benachbarten Rotorscheiben 18 und 20 wird durch die dazwischen austretenden, unter Druck stehenden Kühlmittelströme beherrscht.

Die Erfindung ist zwar anhand eines besonderen Aus— führungsbeispiels beschrieben worden, jedoch sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, Abwandlungen möglich. Beispielsweise können die stromaufseitigen und stromabseitigen Wandungen der inneren Ringkammer mit Bezug auf die Teile der inneren Wandung gleitfähig sein, oder zur Herstellung der stromabwärtigen Kühlmittelstrahlen kann eine alternierende Anordnung von Kanälen vorgesehen sein.

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Claims

Patentansprüche

J Axialgasturbinenanlage mit einem Verdichter und einer Turbine, welch letztere eine feststehende Konstruktion mit mindestens einem Leitschaufelkranz und einen Rotor mit mindestens einer einen Laufschaufelkranz tragenden Rotorscheibe aufweist, weiter mit einer ringförmigen, den Leitschaufelkranz umschließenden äußeren Kühlmittelkammer und mit Mitteln zur Zufuhr von Kühlmittel in diese äußere Kammer, ferner mit einer ringförmigen, radial innerhalb des LeitSchaufelkranzes in einem den Rotor umschließenden Dichtungsteil gebildeten inneren Kühlmittelkammer, welche durch in den Leitschaufeln gebildete Kühlkanäle mit der äußeren Kammer in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsteil (66) mit Austrittsöffnungen (78) versehen ist, durch welche das Kühlmittel aus der inneren Kammer (60) stromauf des Dichtungsteils zur Rotorscheibe (18) hin und in den Dichtspalt zwischen der Rotorscheibe und dem Dichtungsteil hinein austritt und den Zutritt von heißem Treibmittel in die innere Kammer verhindert,

2, Axialgasturbinenanlage nach Anspruch 1, mit mehreren Turbinenstufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur

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Kühlmittelzufuhr zu den äußeren Kühlmittelkammern (56, 58) Kühlmittelleitungen (60, 62) aufweisen, welche entsprechend den verschiedenen Drücken in den einzelnen Turbinenstufen an verschiedenen Anzapfstellen des Verdichters abgezweigt sind und jeweils in eine der äußeren Kühlmittelkammern führen«

3· Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher in den Wandungen der genannten inneren Kühlmittelkammer Kanäle gebildet sind, welche Kühlmittel zur stromab benachbarten Rotorscheibe hin leiten, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kanäle (80) schräg verlaufen, derart, daß die durch sie austretende Kühlluft eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung erhält und dadurch der Zutritt der Kühlluft zu den Schaufelfußbereichen der stromab benachbarten Rotorscheibe (36) erleichtert wird.

4, Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabseitige Wandung der inneren Kühlmittelkammer (60) eine Vielzahl von etwa radial gerichteten Kanälen (76) aufweist, welche den Austritt von Kühlmittel aus dem radial innersten Teil der inneren Kühlmittelkammer in den Treibmittelkanal

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der Turbine ermöglichen.

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