DE2549112A1 - Turbinenkuehlung - Google Patents

Turbinenkuehlung

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DE2549112A1
DE2549112A1 DE19752549112 DE2549112A DE2549112A1 DE 2549112 A1 DE2549112 A1 DE 2549112A1 DE 19752549112 DE19752549112 DE 19752549112 DE 2549112 A DE2549112 A DE 2549112A DE 2549112 A1 DE2549112 A1 DE 2549112A1
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DE
Germany
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cooling
rotor
blade
turbine
channel
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Pending
Application number
DE19752549112
Other languages
English (en)
Inventor
Jean Eggmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BBC Brown Boveri France SA
Original Assignee
BBC Brown Boveri France SA
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Filing date
Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri France SA filed Critical BBC Brown Boveri France SA
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Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F01D5/084Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades the fluid circulating at the periphery of a multistage rotor, e.g. of drum type

Description

  • Turbinenkühlung
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Andere bekannte Kühlsysteme, bei welchen die für das Turbinenende benötigte Kühlluft direkt als Anzapfluft vom Verdichter genommen wird, bedingen einen erheblichen Mehraufwand an Installation.
  • 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.
  • 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.
  • Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere in einer beträchtlichen Wirkungsgraderhöhung zu erblicken.
  • 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.
  • Vorteilhaft ist hier der nur relativ mässige Aufwand, da keine neuen Schaufelbefestigungen zu konzipieren sind.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine ähnliche Kühlturbinenanordnung könnte abenfalls für die Schaufelträgerkühlung vorgesehen werden.
  • L e e r s e i t e

Claims (5)

  1. P a t e n .t da In s p r ü c h e 1. Turbinenkühlung, insbesondere für mehrstufige Gasturbinen, wobei Kühlluft über einen Kanal an die zu kühlenden Teile, beispielsweise Rotor, Leit- und Laufschaufeln herangeführt wird und neben den Schaufelfüssen in den vom Arbeitsmittel durchströmten Schaufelkanal eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich in Längsrichtung der Turbine zwischen Läufer (2) und wirksamen Schaufelteil erstreckender ringförmiger Kühlkanal mit Kühllauf- und Kühlleitschaufeln (3a,3ta,3"a, resp. 4a,4'a,4"a) versehen und damit als Kühlturbine ausgebildet ist, in welcher die Kühlluft unter Arbeitsabgabe an den Läufer (2) expandiert.
  2. 2. Turbinenkühlung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleitschaufel (4a,4'a,4"a) Teil der Leitschaufel (4 bzw. 4t bzw. 4") und die Kühilaufsehaufel (3a,7'a,3a) Teil der Laufschaufel (3 bzw. 3' bzw. 3") ist.
  3. 3. Turbinenkühlung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Teil je, der Kühileitschaufel einerseits von einer am Leitschaufelende vorgesehenen Deckplatte (8t) und andererseits von einem mit einem Labyrinth versehenen Deckband (7) begrenzt ist.
  4. 4. Turbinenkühlung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Teil je der Kühllaufschaufel (3a) einerseits vom Laufschaufelfuss (5) und andererseits von einer den Schaufelkanal und den Kühlkanal trennenden Deckplatte (8") begrenzt ist.
  5. 5. Turbinenkühlung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beschaufelte Teil des Kühlkanals mindestens annähernd mit konstanter Höhe ausgebildet ist.
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