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Turbinenkühlung
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Die Erfindung betrifft eine Turbinenkühlung, insbesondere für mehrstufige
Gasturbinen, wobei Kühlluft über einen Kanal an die zu kühlenden Teile, wie beispielsweise
Rotor, Leit- und Laufschaufeln herangeführt wird und neben den Schaufelfüssen in
den vom Arbeitsmittel durchströmten Schaufelkanal eingeblasen wird.
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Derartige Kühlanordnungen sind bekannt (Buch von W.Traupel "Thermische
Turbomaschinen 2. Band, 2. Auflage, Springer Verlag Berlin/Heidelberg/New York 1968,
Seite 341, Abb. 18.4.4).
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Zwischen dem Rotor und den Deckbändern der Leitbeschaufelung wird
Kühlmittel an die Laufschaufelfüsse herangeführt, welche
Durchbrechungen
aufweisen. Ueber mehrere Stufen hinweg ist somit der Rotor von einer kühlen Unterschicht
umspült, bis das beim Eintritt des Kühlmittels vorhandene Druckgefälle durch Drosselung
in den Kanälen aufgebraucht ist. Hierin ist der Nachteil einer solchen Anordnung
zu erblicken, da bei vielstufigen Turbinen das Rotorende nicht mehr gekühlt werden
kann.
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Bei Gasturbinen wird nun, um immer höhere Eintrittstemperaturen zu
ermöglichen, ein stetig grösser werdender Teil der gesamten Durchsatzluft für die
Kühlung der Turbinenteile verwendet. Die Kühlluft - soweit sie die Turbine umgeht
-, deren Druckenergie bei der bekannten Art der Kühlung durch Drosselung vernichtet
wird, ist somit einer Arbeitsleistung in der Turbine entzogen.
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Mit grösser werdentv Kühlluftmenge wird der Verlust an Arbeitsleistung
immer grösser, so dass der Gewinn durch Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur
immer kleiner wird und schliesslich ganz verschwindet.
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Ueberdies erwärmt sich die Kühlluft beim Durchströmen der Kühlanordnung
durch Aufnahme der vom Heissgas einfallenden Wärme so stark, dass ihre Temperatur
am Turbinenende wesentlich höher ist als beim Eintritt. Hieraus folgt, dass die
Kühlluft
!IEintrittstemperaturLtief genug ist zum Kühlen beispielsweise des Rotorendes. Bei
hohen Verdichter-Druckverhältnissen ist desh'alb meist ein Kühlluft-Rückkühler vorzusehen,
der entsprechend
der Rückkühltemperatur dimensioniert ist und umso
grösser und teurer wird, je tiefer diese Temperatur sein muss. Aus den genannten
Gründen ist es naheliegend, dass die benötigte Kühlluftmenge möglichst niedrig gehalten
wird, was wiederum ein aufwendiges Abdichtungs- und Sperrsystem erfordert.
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Andere bekannte Kühlsysteme, bei welchen die für das Turbinenende
benötigte Kühlluft direkt als Anzapfluft vom Verdichter genommen wird, bedingen
einen erheblichen Mehraufwand an Installation.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung für eine
Turbine zu schaffen, bei der die Kühlluft weit über das bekannte Mass hinaus zur
Arbeitsleistung herangezogen wird.
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Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass ein sich in Längsrichtung
der Turbine zwischen Läufer und wirksamem Schaufelteil erstreckender ringförmiger
Kühlkanal mit Kühlleit- und Kühllaufschaufeln versehen und damit als Kühlturbine
ausgebildet ist, in welcher die Kühlluft unter Arbeitsabgabe an den Läufer expandiert.
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Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere in einer beträchtlichen
Wirkungsgraderhöhung zu erblicken.
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Es ist zweckmässig, wenn die Kühlleitschaufel jeweils Teil einer Leitschaufel
und die Kühllaufschaufel jeweils Teil einer Laufschaufel ist. In diesem Falle kann
der wirksame Teil der Kühlleitschaufel einerseits von einer am Leitschaufelende
vorgesehenen Deckplatte und andererseits von einer mit einem Labyrinth versehenen
Deckband begrenzt sein. Ebenso kann der wirksame Teil der Kühllaufschaufel einerseits
vom Laufschaufelfuss und andererseits von einer den Schaufelkanal und den Kühlkanal
trennenden Deckplatte begrenzt sein.
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Vorteilhaft ist hier der nur relativ mässige Aufwand, da keine neuen
Schaufelbefestigungen zu konzipieren sind.
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Es empfiehlt sich, den beschaufelten Teil des Kühlkanals mindestens
annähernd mit konstanter Höhe auszubilden. Hierdurch wird über die ganze Länge des
Schaufelkanals der Druck im Kühlkanal grösser gehalten als an den entsprechenden
Stellen im Schaufelkanal, wodurch ein Einströmen von Heissgas in den Kühlkanal vermieden
wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht
dargestellt Es zeigt:
Fig. 1 einen. Teillängsschnitt einer Turbomaschine,
Fig. 2 einen Schaufelplan als Abwicklung eines Zylinderschnittes durch den Kühlkanal
nach Fig. 1.
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Erfindungsunwesentliche Teile wie beispielsweise die Schaufelträgeraufhängung
und die Ausströmpartie der Turbine sind fortgelassen; die Einströmpartie der Turbomaschine
ist nur teilweise und ebenfalls ohne Aufhängung dargestellt.
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Die Fig. l zeigt eine dreistufige Gasturbine, in welcher mit 1 der
Leitschaufeltrger, mit 2 der Läufer, mit 3,3',3" die Laufschaufeln sowie mit 4,4e,4
die Leitschaufeln bezeichnet sind.
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Die Laufschaufeln sind mit schematisch dargestellten Schaufelfüssen
5 in Ringnuten des Läufers eingesetzt, während die Leitschaufeln mit ebenfalls schematisch
dargestellten Füssen 6 in Ringnuten des Schaufelträgers eingesetzt sind. Um Spaltverluste
möglichst klein zu halten, sind die Leitschaufelenden mit einem Deckband 7 versehene
welches in bekannter Art mit im Rotor eingestemmten (nicht gezeigten) Dichtstreifen
eine Labyrinthdichtung bildet. Die Strömungsrichtungen des Arbeitsmittels, im vorliegenden
Fall Heissgas, durch den Schaufelkanal und der Kühlluft durch die Kühlanordnung
sind mit Pfeilen dargestellt.
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Die erfindungsgemässe Kühlanordnung wird nunmehr so beschrieben,
wie
sie vorteilhaft zur Kühlung des Läufers 2 angewendet werden kann. Alle Leit- und
Laufschaufeln sind mit Deckplatten 8 versehen, unterhalb denen (in radialer Richtung
gesehen) sich die Schaufelprofile fortsetzen, welche somit Kühllaufschaufeln 3a
3'a,3"a-sowie Kühlleitschaufeln 4a,4'a,4"a bilden. Aus strömungstechnischen Gründen
sind die Deckplatten 8',8" an den Stirnseiten (in axialer Richtung gesehen) abgeschrägt,
so dass ein Ausströmen von Kühlluft in den Schaufelkanal erleichtert, ein Einströmen
von heissem Arbeitsmittel in den Kühlkanal hingegen erschwert wird. Die axiale Erstreckung
der Deckplatten 8' und 8?? ist zudem derart bemessen, dass ein eigentliches dosiertes
Ausströmen von Kühlluft durch die gebildeten Zwischenräume 9 vorliegt. Um diese
Wirkung zu verstärken, wird der Kühlkanal über die ganze beschaufelte Länge mit
konstanter Höhe ausgebildet. Es ist dadurch möglich, den Druck im Kühlkanal zwischen
den Schaufelreihen immer höher zu halten als den entsprechenden Druck des Arbeitsmittels
im Schaufelkanal. Die Wandungen der ebenfalls dreistufigen Kühlturbine bestehen
im Bereich der Kühlleitschaufeln aus den Deckplatten 8' und dem Deckband 7, im Bereich
der Kühllaufschaufeln aus den Deckplatten 8" und den Schaufelfüssen 5.
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Der teilweise dargestellte Schaufelplan in Fig. 2 zeigt schematisch
das Schaufelprofil und den Staffelungswinkel der Kühlschaufeln. Beide entsprechen
im wesentlichen jenen oberhalb
der Deckplatten 8, weshalb sich
abgesehen vom Anbringen der Deckplatten kein zusätzlicher Aufwand bei der Herstellung
der Schaufelung ergibt.
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Der nicht näher bezeichnete Arbeitsmitteleintritt der Turbine und
der Kühllufteintritt sind durch einen gasführenden Innenmantel 10 räumlich voneinander
getrennt. Die innere Wandung des Kühllufteintritts ist durch einen Einsatz 11 gebildet,
der neben anderen bekannten Aufgaben über ein Labyrinth (nicht gezeigt) den Rotor
2 abdichtet.
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Beim beschriebenen Beispiel wird davon ausgegangen, dass es sich um
eine leistungsstarke Turbomaschine mit hohen Eintrittstemperaturen und einem hohen
Druckverhältnis handelt, womit sich ein Kühlluftkühler aufdrängt. Die integrale
Anordnung dieses als vorzugsweise von Wasser durchströmten Rippenrohrkühler 13 ausgebildeten
Apparates zwischen dem Innenmantel 10 und dem Einsatz 11 bietet besondere konstruktive
Vorteile. Der eigentliche Einlass der Kühlluft in die Kühlturbine ist als düsenförmige
Ringöffnung 14 ausgebildet.
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Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende: Ein geringer Teil der
aus der Ringöffnung 14 strömenden Kühlluft tritt infolge des höheren Druckes zwischen
der Deckplatte
8' der Leitschaufel 4 und dem Innenmantel 10 in
den Schaufelkanal ein und vermischt sich mit dem Heissgas. Ein weiterer geringer
Teil durchströmt die nicht gezeigte Labyrinthdichtung zwischen -dem Deckband 7 und
dem Rotor 2, wodurch dieser an seinem Umfang nur mit Kühlluft in Berührung steht.
Die Hauptmenge durchströmt die erste Kühlleitreihe 4a und entspannt sich auf tieferen
Druck und tiefere Temperatur. Vor der ersten Kühllaufreihe 3a tritt wiederum ein
geringer Teil durch den Zwischenraum 9 in den Heis-sgasstrom über. Es ist ersichtlich,
dass die besonders gefährdeten Schaufelfüsse 5 nur von Kühl luft umgeben sind. In
der Laufreihe 3a erfolgt eine weitere Entspannung und die Arbeitsabgabe an den Rotor
2. Der gleiche Vorgang spielt sich in den folgenden zwei Stufen ab, wobei jeweils
zwischen den Schaufelreihen ein Teil des Kühlstromes sich mit dem Arbeitsmittel
im Schaufelkanal vermischt. Die Bemessung der Zwischenräume 9 erfolgt derart, dass
nur ca. 1/3 der über die Ringöffnung 14 einströmenden Kühlluftmenge die letzte Kühllaufreihe
3"a beaufschlagt und sich anschliessend mit dem Abgasstrom mischt.
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Dadurch, dass die Kanalhöhe der Kühlturbine über die ganze beschaufelte
Länge konstant ausgebildet ist, und sich nicht entsprechend der bei der Entspannung
auftretenden Volumenzunahme ändert entsteht zwischen den Schaufelrei hen ein
erhöhter
Druck, der verhindert, dass Heissgas in den Kühlkanal eintritt.
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Da die Kühlluft unter Arbeitsabgabe in der Turbine entspannt wird,
sinkt ihre Temperatur stetig ab. Andererseits nimmt sie vom Heissgas einfallende
Wärme auf, was die Temperatur wieder heraufsetzt. Wie sich die Kühllufttemperatur
ändert hängt also vom Turbinenwirkungsgrad einerseits und von der zuge führten Wärmemenge
andererseits ab. Letztere leistet jedoch in der Kühlturbine wiederum Arbeit.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung
Dargestellte beschränkt, So muss beispielsweise kein Kühlluftrückkühler vorgesehen
werden, da die Aufwärmung der Kühlluft durch das Heissgas gegenüber dem durch die
Entspannung bewirkten Temperaturabfall gering ist, womit Luft genügend niedriger
Temperaturen für die Kühlung des Rotorendes zur Verfügung stehen.
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Eine ähnliche Kühlturbinenanordnung könnte abenfalls für die Schaufelträgerkühlung
vorgesehen werden.
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L e e r s e i t e