DE2728400A1

DE2728400A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE2728400A1
Application number: DE19772728400
Authority: DE
Inventors: Richard Ing Grad Kalbfuss; Norbert Dipl Ing Romeyke
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1977-06-24
Publication date: 1979-01-11
Also published as: US4214436A; DE2728400C2; JPS5412018A; JPS6124529B2; SE7807125L; SE438529B

Description

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BROWN, BOVERI & CIE · AKTIENGESELLSCHAFT Κ&/1^^>

MANNHEIM BROWN BOVERI

Mp.-Nr. 562/77 Mannheim, den 23. Mai 1977

ZFE/P1-V/g/Bt

Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere für eine Luftspeicheranlage mit wenigstens einer vom vorzugsweise heißen Treibgas axial durchströmbaren Turbinenstufe sowie mindestens einem auf der Welle der Turbine angeordneten und an Druckmittelräume grenzenden Ausgleichskolben für den Axialschub.

Zum Ausgleich des Axialschubes sind bei Gasturbinen oft Ausgleichskolben auf der Welle angeordnet, die durch entsprechende Druckbeaufschlagung der Kolbenflächen den während des Betriebs auftretenden Axialschub ausgleichen oder zumindest weitgehend ausgleichen, so daß die vorhandenen Axiallager entlastet sind. Auch ist es bekannt, thermisch hochbelastete Teile von Gasturbinen, wie z.B. die Träger der Leit»- und/oder Laufschaufeln zu kühlen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Gasturbine der eingangs genannten Art anzugeben, die ein wirkungsvolles Schubausgleichs- und Kühlsystem aufweist, das lediglich geringen Bauaufwand erfordert und das während des Betriebes mit nur wenig Verlusten behaftet ist. Weiter soll die Gasturbine in hohem Maße betriebssicher und allen Anforderungen, die der Gasturbinenbetrieb stellt, gewachsen sein.

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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun erfindungsgemäß darin, daß ein erster Druckmittelraum dem Treibgaseinlaß der Turbinenstufe benachbart ist und mittels einer mit dem Ausgleichskolben zusammenarbeitenden ersten Durchblickdichtung von wenigstens einem weiteren Druckmittelraum getrennt sowie mit einem gasförmigen Druckmittel, vorzugsweise Luft, beaufschlagbar ist, dessen Druck höher als der Druck des Treibgases im Bereich des Treibgaseinlaßes ist, und daß mindestens ein Kühlsystem der Gasturbine an den weiteren Druckmittelraum zur Kühlmittelversorgung angeschlossen ist, wobei der Spalt der ersten Durchblickdichtung so gewählt ist, daß zwischen den Druckmittelräumen eine einen zumindest teilweisen Ausgleich des Axialschubes mittels des Ausgleichskolbens bewirkende Druckdifferenz einstellbar ist.

Es werden also die einzelnen Druckmittelräume, welche an den Ausgleichskolben grenzen, von dem zugeführten Druckmittel nacheinander beaufschlagt, wobei das Druckmittel über die Spalte der Durchblickdichtung von Druckmittelraum zu Druckmittelraum strömt. Da das Kühlmittel für das Kühlsystem jenem Druckmittelraum entnommen wird, welcher dem Ausgleichskolben nachgeschaltet ist, ergibt sich ein Druckgefälle zwischen den Druckmittelräumen. Dieses Druckgefälle bewirkt in Zusammenarbeit mit dem Ausgleichskolben den Ausgleich des Axialschubes. Da das Druckmittel nach, der Durchströmung der Druckmittelräume dem oder den Kühlsystem(en) zugeführt wird, die einen Verbrauch an Kühlmittel aufweisen, ist eine einfache Kühlmittelversorgung gewährleistet und das Druckmittel zusätzlich als Kühlmittel ausgenutzt. Das Heranziehen der Spalte der Durchblickdichtung für die Einstellung des

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Druckmittelflusses und somit des Druckgefälles macht zusätzliche Drosselorgane überflüssig, so daß insgesamt gesehen de erfindungsgemäße Gasturbine in ihrem Aufbau vereinfacht ist.

Unter der Bezeichnung "Durchblickdichtungen" im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen berührungsfreie Dichtungen oder Dichtungsanordnungen, wie Spaltdichtungen, Labyrinthdichtungen oder kombinierte Spalt-Labyrinthdichtungen verstanden sein.

Weist die Gasturbine mehrere Turbinenstufen und Ausgleichskolben auf, so sind vorteilhaft mehrere in Reihe hintereinander angeordnete weitere Druckmittelräume vorhanden, die Jeweils an einen weiteren Ausgleichskolben grenzen und mittels jeweils einer weiteren mit einem weiteren Ausgleichskolben zusammenarbeitenden Durchblickdichtungcvoneinander getrennt sind, wobei das Kühlsystem an einen der weiteren Druckmittelräume angeschlossen ist und die Spalte der Durchblickdichtungen so gewählt sind, daß zwischen den Druckmittelräumen eine den Axialschub zumindest teilweise ausgleichende Druckdifferenz einstellbar ist.

Sämtliche Druckmittelräume sind somit in Reihe hintereinandergeschaltet und vom Druckmittel durchströmt, so daß auf jeden der Ausgleichskolben ein Druck wiikt. Diese einzelnen Drücke bewirken gemeinsam den Schubausgleich. Das Kühlsystem ist hierbei an einen der Druckmittelräume angeschlossen. In diesem Falle ist es günstig, wenn das Kühlsystem für eine der ersten Turbinenstufe nachgeschaltete Turbinenstufe vorgesehen ist.

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Ebenso vorteilhaft ist es, jeweils ein Kühlsystem einer nachgeschalteten Turbinenstufe zuzuordnen und an jeweils einen weiteren Druckmittelraum anzuschließen.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß das Kühlsystem der zweiten Turbinenstufe an den zweiten Druckmittelraum, das Kühlsystem der dritten Turbinenstufe an den dritten Druckmittelraum usw. - vom Treibgaseinlaß her gesehen - angeschlossen ist.

Ist das Kühlsystem an einen Druckmittelraum angeschlossen, der von zwei Ausgleichskolben mitgebildet ist, so ist zur Sicherstellung einer Druckmittelströmung bis zum letzten Druckmittelraum dieser letzte Druckmittelraum in vorteilhafter Weise an den Abgaskanal angeschlossen. Da im Abgaskanal der geringste Gasdruck des Turbinensystems herrscht, ist somit ein Druckgefälle vom ersten bis zum letzten Druckmittelraum gewährleistet.

Eine empfehlenswerte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß der erste Druckmittelraum mit dem die erste Turbinenstufe umgebenden Mantelraum eine Raum-Einheit bildet. Hierdurch ist der Aufbau und die Kühlung der ersten Turbinenstufe vereinfacht.

Wird Luft als Druckmittel verwendet, so ist es bei Erzeugung der heißen Treibgase in Brennkammern am einfachsten, wenn der erste Druckmittelraum zur Druckmittelversorgung an die Druckluftzufuhr zur Brennkammer der ersten Turbinenstufe anschließbar ist. Hierbei ist es besonders empfehlenswert, wenn in die

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Verbindung zwischen dem ersten Druckmittelraum und der Druckluftzufuhr ein im Abgasstrom der Gasturbine angeordneter Wärme- j tauscher eingeschaltet ist. Hierdurch wird die als Druck- j mittel zugeführte Luft vorgewärmt, so daß krasse Temperatur- ^: Sprünge in der Turbine vermieden sind, sondern vielmehr eine j gleichmäßige Erwärmung der beaufschlagten Turbinenteile gefördert wird.

Um das Kühlsystem vor Überdrücken .zu schützen, die bei einer ι

erhöhten Durchlässigkeit der Durchblickdichtungen der Aus- ι

gleichskolben auftreten könnten, ist es vorteilhaft, daß j

das Kühlsystem mit wenigstens einem geregelten Überdruck- !

ventil versehen ist, das beim Überschreiten einer vorein- j

gestellten Druckdifferenz das Kühlsystem mit einem Übergangs- ^!

raum verbindet. Der Ausblas des Überdruckventils mündet also \

in einen Übergangsraum, der zwei Turbinenstufen gasseitig ·

verbindet, so daß beim Öffnen des Überdruckventils nur ein ! minimaler Verlust entsteht.

Zur Sicherstellung der Kühlmittelversorgung ist es ebenso
vorteilhaft, daß das Kühlsystem wenigstens ein geregeltes
Überströmventil aufweist, welches in eine Verbindung zwischen
dem Kühlsystem und der Druckmittelleitung eingefügt ist
und welches beim Unterschreiten einer voreingestellten
Druckdifferenz zwischen dem Kühlsystem und dem Übergangsraum öffnet. Hierdurch wird Mangel an Kühlmittel im Kühlsystem verhindert.

Weist die Gasturbine mindestens eine am Turbinengehäuse
angeordnete luftgekühlte Brennkammer fül· die erste Turbinenstufe auf, so kann eine besonders bevorzugte Weiterbildung

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der Erfindung darin bestehen, daß die Raum-Einheit von einem zum Heizgaseinlaß der ersten Turbinenstufe führenden Übergangsstück durchdrungen ist, in welches das offene Ende der ersten Brennkammer unter Bildung eines Luftspaltes teleskopartig eingeführt ist, wobei die Raum-Einheit gegen einen die Brennkammer umgebenden Luftraum, welcher mit der Verbrennungsluft beaufschlagbar ist, durch wenigstens zwei im Luftraum hintereinander angeordnete Drosseln abgedichtet ist, die hierbei einen Zwischenraum begrenzen, in welchen der Luftspalt mündet.

Hierdurch wird einmal eine Kühlung des die heißen Treibgase i führenden Zwischenstücks erreicht, wobei der teleskopartige Übergang vom Brennkammerende zum Zwischenstück eine voneinander unabhängige Ausdehnung dieser Teile zuläßt. Da der Luftraum, welcher die Brennkammer umgibt, lediglich durch zwei im Luftraum mit Abstand hintereinander angeordnete Drosseln abgedichtet ist, ist eine für die Kühlung der Abdichtstellen ausreichende Luft- bzw. Kühlmittelzufuhr zum Zwischenraum möglich. Da zudem das Übergangsstück im Zwischenraum endet, wird durch die Brennkammer-Strömung infolge Injektorwirkung Luft- bzw. Kühlmittel vom Zwischenraum durch den Luftspalt in das Übergangsstück eingesaugt. Die in den Treibgasstrom einströmende Menge an Luft bzw. Kühlmittel ist völlig unabhängig von der Größe des Luftspaltes, sie wird vielmehr allein von der Durchlässigkeit der Drosseln bestimmt. Die Größe des Luftspaltes kann daher rein nach konstruktiven Gesichtspunkten gewählt werden.

Ein besonders einfacher Aufbau ist dann gegeben, wenn die der Raum-Einheit benachbarte erste Drossel einen das Über-

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gangsstück umfassenden und an diesen befestigten flachen Ringkörper aufweist, welcher in einen Ringspalt eines Außenringes eingreift, der zwischen sich und der Luftraum-Außenwand einen ersten Drosselspalt freiläßt und der wenigstens aus zwei Ringsegmenten besteht, die , über einen Verbindungsring miteinander verbunden sind. Durch diese Bauweise kann das Spiel des Luftspaltes trotz der großen Wärmedehnungsdifferenzen zwischen dem Turbinengehäuse und dem Übergangsstück klein gehalten werden. Zudem kann bei der Montage durch entsprechende Wahl von Ringsegmenten die Größe des Drosselspaltes auf die jeweiligen Erfordernissen eingestellt werden.

Die andere Drossel kann ein einfacher Ringspalt zwischen der Brennkammerwand und einem von der Luftraum-Außenwand getragenen flachen Ring sein, da diese Teile zeitlich abhängig mit etwa ! gleichen Temperaturen beaufschlagt werden und sich daher j keine großen VTärmedehnungsdifferenzen ergeben können. ι

Vorteilhafter ist'es jedoch, wenn die andere zweite Drossel einen zweiten Drosselspalt aufweist, der zwischen der Brennkammerwand und einem die Brennkammerwand umgebenden zylindrischen Hohlkörper gebildet ist, der von einer den Luftraum durchdringenden und an der Luftraum-Außenwand befestigten ringförmigen Trennwand getragen ist. Hierbei ist es günstig, den Hohlkörper zwischen der Brennkammerwand und dem aufgeweiteten oberen Ende des Übergangsstückes anzuordnen.

Eine andere besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß nach dem Abstellen der Treibgaszufuhr die Turbinenstufen und die letzte Laufschaufelreihe der letzten Turbinenstufe einzeln oder in beliebiger Kombi-

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nation mit einem gasförmigen Kühlmedium beaufschlagbar sind zur Abfuhr der beim Auslaufen der Turbine anfallenden Ventilationswärme·

Ist der Gasturbine ein Luftspeicher zugeordnet, so ist es vorteilhaft, wenn das Kühlmedium aus Druckluft besteht, die dem Luftspeicher entnommen ist.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine zweistufige Gasturbine mit am Turbinengehäuse angeordneten Brennkammern und

Fig. 2 die Einzelheit II der Figur 1 in größerem Maßstab.

Gemäß Figur 1 weist die Gasturbine eine Welle 10 auf, deren Enden abgesetzt und in Lagerstellen geführt sind. | Als Lager ist jeweils ein Radiallager 12, H und am rechten Wellenende zusätzlich ein Axiallager 16 vorgesehen. Zur j Abgabe von Leistung ist das rechte Ende der Turbinenwelle z.B. mit einem nicht dargestellten elektrischen Generator verbunden.

Da das linke Radiallager 12 sich im Abgaskanal 18 befindet, ist es durch eine Abdeckung 20 gegen das Abgas geschützt.

Im Bereich des .linken Wellenendes ist. die aus Lauf- und Leitschaufeln bestehende Beschaufelung der zweiten Turbinenstufe 22 angeordnet, welche von rechts nach links axial durchströmt ist. Mit Abstand zur zweiten Turbinenstufe ist

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die erste Turbinenstufe 24 vorgesehen, die ebenfalls für eine axiale Durchströmung von rechts nach links ausgebildet ist. Im Anschluß an die erste Turbinenstufe 24 ist ein erster Ausgleichskolben 26 auf der Welle 10 angeordnet. Dieser Ausgleichskolben besteht aus einem zur Welle konzentrischen, auf der Welle befestigten oder mit der Welle eine Baueinheit bildenden, scheibenförmigen Ringkörper. Schließlich befindet sich am rechten Ende der Welle ein zveiter Ausgleichskolben 28, der entsprechend dem ersten Ausgleichskolben 26 ausgebildet und an der Welle befestigt ist. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer zweistufigen Gasturbine lediglich zwei Ausgleichskolben vorgesehen sind, ist dieser zweite Ausgleichskolben 28Γ zugleich auch der letzte Ausgleichskolben.

Zur Treibgasversorgung der ersten Turbinenstufe 24 ist eine erste Brennkammer 30 in radialer Richtung zur Welle am Turbinengehäuse angeordnet. Am oberen, verschlossenen Ende der ersten Brennkammer 30 sind eine an die Brennst off-Zufuhrleitung 32 angeschlossene Brennstoffdüse 34 sowie zum Luftraum 38 führende Luftzufuhröffnungen 36 vorgesehen. Nach außen hin ist die im Querschnitt kreisförmige Brennkammer 30 von dem im Querschnitt kreisringförmigen Luftraum 38 umgeben, an welchen die Druckluftzufuhr 40 angeschlossen ist, welche über eine Luftsteuer- und Regelgruppe, die · im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein einziges Ventil 42 dargestellt ist, vorzugsweise mit einem nicht dargestellten Druckluftspeicher oder ggf. mit einer anderen Druckluftquelle, z.B. einem Kompressor, über eine Leitung 43 verbunden ist.

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Das offene Ende der Brennkammer 30 ist teleskopartig in das Übergangsstück 44 eingeführt, wobei zwischen beiden Teilen ein kreisringförmiger Luftspalt 60 angeordnet ist. Dieser Luftspalt 60 mündet in einen Zwischenraum 62, der zwischen zwei Drosseln 64 und 66 gebildet ist, welche den Luftraum gegen die Raum-Einheit 48, 50 abtrennen.

An das untere Ende der zylinderförmigen Brennkammer 30, die sich in radialer Richtung etwa bis zum Turbinengehäuse erstreckt, ist das rohrförmige, sich nach unten verjüngende Übergangsstück 44 angeschlossen, welches die Brennkammer 30 mit dem Treibgaseinlaß 46 der ersten Turbinenstufe 24 verbindet. Dieser Treibgaseinlaß 46 besteht aus einem ringzylindrischen Hohlkörper, der die Welle 10 umgibt und zur Beschaufelung der ersten Turbinenstufe 24 und zur Welle 10 offen ist. Zur Abdichtung des Treibgaseinlasses 46 gegen den Druckmittelraum 50 ist eine Durchblickdichtung 45 zwischen Welle 10 und dem Hohlkörper vorgesehen.

Das Übergangsstück 44 durchdringt einen Raum, der vom Mantelraum 48 und vom ersten Druckmittelraum 50 gebildet wird, die sogenannte Druckmittel-Mantelraum-Einheit 48, 50, die im folgenden als Raum-Einheit 48, 50 bezeichnet ist. Der Mantelraum 48 umgibt kreisringförmig jenen Bereich der Gasturbine, welcher die Leitschaufeln der ersten Turbinenstufe 24 trägt, und dient zur Kühlung. Der erste Druckmittelraum 50 umgibt die Welle 10 ebenfalls etwa kreisringförmig und grenzt an die linke Stirnfläche des ersten Ausgleichskolbens 26.

Zwischen den ersten und zweiten Ausgleichskolben 26 bzw. 28 ist ein weiterer Druckmittelraum 54 vorgesehen, der die Welle 10 ebenfalls kreisringförmig umgibt und der an die

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linke Stirnfläche des zweiten Ausgleichskolbens 28 grenzt. Schließlich ist noch der Druckmittelraum 56, der zugleich auch der letzte Druckmittelraum ist, an der rechten Stirnseite des zweiten Ausgleichskolbens 28 angeordnet. Die Begrenzung dieses letzten Druckmittelraums nach außen hin wird vom Turbinengehäuse übernommen, die Durchführung der Welle 10 ist in herkömmlicher Weise abgedichtet.

Die Druckmittelräume 50, 54, 56 sind mittels Durchblickdichtungen 52 und 58 gegeneinander abgedichtet. Diese Durchblickdichtungen sind als Spaltdichtungen ausgeführt, wobei die Dichtspalte zwischen den Umfangsflächen der Ausgleichskolben 26, 28 und vom Gehäuse getragenen Gegenstücken gebildet sind. Auf die gleiche-Art ist der Druckmit-feLraum 56 zum Außenraum an der Wellendurchführung abgedichtet.

Der Ausgang der ersten Turbinenstufe 24 mündet in einen ringförmigen Übergangsraum 65. An diesen Übergangsraum 65 ist der zweite Luftraum 67_f welcher die zweite Brennkammer 68 umgibt, angeschlossen. Im übrigen gleicht diese zweite Brennkammer 68 in ihrem Aufbau und in ihrem Anschluß an die Brennstoffversorgung und an die Beschaufelung weitgehend der ersten Brennkammer 30, so daß sich hier näheres erübrigt.

An den Ausgang der zweiten Turbinenstufe 22 ist der Abgaskanal 18 angeschlossen, der zu einem nicht dargestellten Abgaskamin führt.

In Figur 2 ist der Bereich der Drosseln 64, 66 (Einzelheit II) in größerem Maßstab dargestellt. Man erkennt deutlich, daß das Ende der ersten Brennkammer 30 unter Bildung des Luftspaltes 60 im Übergangsstück 44 endet. Die Größe des Luftspaltes ist hierbei lediglich nach konstruktiven Gesichtspunkten gewählt. Die untere, der Raum-Einheit 48, 50 benach-

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barte erste Drossel 64 besteht im wesentlichen aus einem flachen Ringkörper 70, der das Übergangsstück 44 dicht umgibt und an ihm befestigt ist. Wie weiter aus Figur 2 zu ersehen ist, greift der Ringkörper 70 mit seiner Peripherie in den Ringspalt 72 eines losen Außenringes 74 von etwa rechteckigem Querschnitt ein, der unter Bildung des ringförmigen ersten Drosselspaltes 77 vor der zylindrischen Luftraum-Aussenwand 75 endet. Der Außenring 74 besteht aus zwei gleichen Ringsegmenten, die über einen Verbindungsring 78 und Schrauben 69 miteinander verbunden sind. Die Teilung des Außenringes 74 ist für die Montage erforderlich, denn ohne diese Teilung könnte der Außenring 74 nicht auf den am Übergangsstück durch Schweißung befestigten Ringkörper 70 aufgebracht werden.

Die obere, zweite Drossel 66 weist einen dünnwandigen ringzylindrischen Hohkörper 81 auf, der unter Bildung des zweiten Drosselspaltes 79 die Brennkammerwand 80 umgibt.(Fig.2) Dieser Hohlkörper 81 ist an seinem oberen Ende an einer | trichterförmigen Trennwand 73 befestigt, die den lufträum 38 I durchdringt und an der Luftraum-Außenwand 75 dicht befestigt j ist. Der Hohlkörper 81 ist vom oberen Ende 71 des Zwischen- ι Stückes 44 umgeben. Hierzu ist das obere Ende 71 zylinderförmig nach Art einer Muffe aufgeweitet, so daß auch zwischen dem Hohlkörper 81 und dem Ende 71 ein Ringspalt verbleibt, der beliebig groß sein kann, wogegen die Drosselspalte 77 und 79 lediglich für den Durchtritt von ausreichenden Mengen von Luft bzw. Kühlmittel ausgelegt sind.

Von der Druckluftzufuhr 40 ist zwischen dem Ventil 42 und dem Eintritt in den Luftraum 38 eine Druckmittelleitung 82 abgezweigt, die über einen im Abgaskanal 18 angeordneten Wärmetauscher 84 zur Raum-Einheit 48, 50 führt. Da diese

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Raum-Einheit 48, 50 an die Fußbefestigung der Leitschaufeln der ersten Turbinenstufe 24, an das Übergangsstück 44, an den ι Treibgaseinlaß 46 und an die Welle 10 grenzt, bildet diese | Raum-Einheit 48, 50 einen wesentlichen Teil des Kühlsystems ; der ersten Turbinenstufe, weitere Teile dieses Systems werden durch die Druckmittelräume 54 und 56 gebildete

An den weiteren zweiten Druckmittelraum 54 ist das Kühlsystem der zweiten Turbinenstufe 22 angeschlossen. Es weist eine j Kühlmittelleitung 85 sowie einen etwa kreisringförmigen Raum 86 mit etwa keilförmigem Querschnitt auf, der an die Fußbefestigung der Leitschaufeln der zweiten Turbinenstufe und an den übergangsraum 65 grenzt. Für den Anschluß der Kühlmittelleitung 85 ist hierbei ein den Übergangsraum 65 durchdringender Anschlußstutzen 87 vorgesehen. Außerdem weist das Kühlsystem noch einen an die Welle 10 grenzenden Ringraum 88 auf, der sich in axialer Richtung zwischen den Ende der ersten Turbinenstufe 24 und dem Anfang der zweiten Turbinenstufe 22 erstreckt. Aus dem Ringraum 88 wird ein nicht dargestelltes zusätzliches Kühlsystem der zweiten Turbinenstufe gespeist, das die Aufgabe, hat, die Welle 10 und die Turbinenlaufschaufeln zu kühlen. Dieser Ringraum ist nach außen hin mit einer ringzylindrischen Abdeckung versehen, welche in .-axialer Richtung mit Durchblickstopfbüchsen begrenzt ist, so daß eine definierte und vorzugsweise geringe Menge von Kühlluft in den Übergangsraum 65 und zum Treibgaseinlaß der zweiten Turbinenstufe 22 austreten kann. Für den Anschluß des Ringraumes 88 ist ebenfalls ein Anschlußstutzen 92 nach außen geführt.

Schließlich ist noch der letzte Druckmittelraum 56 über eine Leitung 94 mit dem Abgasstutzen t8 verbunden.

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Jener Teil der Druckmittelleitung 82, der zwischen dem Wärmetauscher 84 und der Raum-Einheit 48, 50 liegt, ist über eine Verbindung 96 in. Form einer Leitung mit zwischengeschaltetem Oberströmventil 98 mit der vom zweiten Druckmittelraum 54 zum Anschlußstutzen 87 führenden Kühlmittelleitung 85 verbunden. Die auf den federbelasteten Kolben 100 des Überströmventils 98 wirkenden Druckräume sind über Leitungen 102 derart mit dem Übergangsraum 65 und der Kühlmittelleitung verbunden, daß das Überströmventil öffnet, falls die Druckdifferenz einen voreingestellten Wert unterschreitet. In diesem Fall wird die Kühlmittelleitung 85 und somit das Kühlsystem 85, 86, 88 unter Umgehung der Druckmittelräume 50 und 54 unmittelbar mit Kühlluft versorgt. Somit ist eine Kühlung dei/zweiten Turbinenstufe 22 selbst bei irgendwelchen Schaden an den Durchblickdichtungen 52, 58 gesichert.

Um schließlich noch Oberdrücke vom Kühlsystem 85, 86, 88 fern zu halten, ist die Kühlmittelleitung 85 noch über eine weitere Leitung 106 mit dem Übergangsraum 65 verbunden, wobei in die Leitung 106 ein geregeltes Überdruckventil 104 eingefügt ist. Der federbelastete Regelkolben 108 .des Überdruckventils grenzt an Druckräume, die über Leitungen 110 mit der Kühlmittelleitung 85 und dem Übergangsraum 65 derart verbunden sind, daß beim Überschreiten einer voreingestellten Druckdifferenz das Überdruckventil 104 öffnet und den Überdruck über die Leitung 106 zum Übergangsraum 65 abführt. Die Einstellung der Ventile 98 und 104 kann auch durch hydraulische, elelctro-hydraulische oder elektrische Stellglieder erfolgen und nicht wie hier dargestellt durch pneumatische Stellglieder.

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Von der zu einer Druckluftquelle führenden Leitung 43 zweigt eine weitere Leitung 116 ab, von der drei Stichleitungen 118 mit zwischengeschalteten Absperrorganen 120 abgehen. Je eine dieser Stichleitungen führt zum Drucklufteinlaß 122 der ersten \ Brennkammer 30, zu einem Stutzen 124 der zweiten Brennkammer ' 68 zu einem Ringraum 126. Dieser Ringraum 126 umgibt den Ab- j Strömbereich der zweiten Turbinenstufe 22 und weist zur letzten; Laufschaufelreihe dieser Stufe nicht dargestellte Öffnungen j auf. Durch dieses Leitungssystem 116, 118 kann nach dem Abschalten der Turbine, also nach dem Schließen des Ventils und der Unterbrechung der Brennstoffversorgung den einzelnen Turbinenstufen und der letzten¹ Laufschaufelreihe Druckluft aus der Leitung 43 zugeführt werden. Hierdurch wird die beim Auslaufen der Turbine entstehende Ventilationswärme abgeführt. In vielen Fällen genügt es, die Druckluft nur an einer Stelle, z.B. über die Ringkammer 126 zuzuführen. Die Absperrorgane 126 der übrigen Stichleitungen bleiben in diesem Fall geschlossen, oder man läßt die nicht benötigten Stichleitungen einfach weg. Während des Turbinenbetriebs bleiben die Absperrorgane 120 selbstverständlich geschlossen.

Während des Betriebes wird der ersten Brennkammer 30 über die Brennstoff-Zufuhrleitung 32 und die Brennstoffdüse 34 gasförmiger oder flüssiger Brennstoff zugeführt, während die z.B. gespeicherte Verbrennungsluft dem nicht dargestellten Luftspeicher entnommen wird und über die Leitung 43, die Druckluftzufuhr 40, den Luftraum 38 sowie die Luftzuführöffnungen 36 in die Brennkammer gelangt. Die in der ersten Brennkammer 30 erzeugten heißen Treibgase werden dann durch das Übergangsstück 44 und den Treibgaseinlaß 46 der ersten

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Turbinenstufe 24 zugeführt. Nach dem Verlassen dieser Stufe treten die Treibgase in den Übergangsraum 65 ein und gelangen j über den zweiten Luftraum 67 in die zweite Brennkammer 68, die j genau wie die erste Brennkammer 30 mit Brennstoff versorgt ; wird. Da die von der ersten Turbinenstufe 24 kommenden Treibgase noch für eine weitere Verbrennung ausreichenden Sauerstoff enthalten, ist eine Zufuhr von Verbrennungsluft zur zweiten Brennkammer 68 nicht erforderlich. Die hier neu gebildeten Treibgase werden ebenfalls durch ein Übergangs- j stück und einen Treibgaseinlaß der zweiten Turbinenstuffe zugeführt und schließlich als Abgase dem Abgasstutzen 18 zugeleitet. Hierbei beaufschlagen die Abgase den Wärmetauscher 84.

Von der Druckluftzufuhr 40 wird ein Teil der Druckluft abgezweigt und über die DruckmittelLeitung 82 der Raum-Einheit 48, 50 als Kühlluft zugeführt. Hierbei wird die Kühlluft im Wärmetauscher 84 vorgewärmt.

Die an die Raum-Einheit 48, 50 grenzenden Teile, wie Träger der Leitschaufeln, Treibgaseinlaß 46, Übergangsstück 44, Welle 10 und Träger 53 für die erste Durchblickdichtung werden von der Kühlluft beaufschlagt und somit gekühlt. Die Vorwärmung der Kühlluft im Wärmetauscher 84 bewirkt, daß höchsten geringe thermische Spannungen auftreten können.

Da der Strömungswiderstand der Druckmittelleitung 82 von der Druckluftzufuhr 40 bis zur Raum-Einheit 48', 50 geringer ist als der Strömungswiderstand der für die Verbrennung benötigten Luft auf dem Weg durch den Luftraum 38 bis zur Brennkammer 30, stellt sich in der Raum-Einheit 48, 50 ein.

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höherer Druck ein als in der ersten Brennkammer und im Übergangsstück 44. Es strömt daher Luft über den ersten Drossel» spalt 77 in den Zwischenraum 62 und von hier durch den Luftspalt 60 in das Zwischenstück 44. Gleichzeitig strömt Luft aus dem Luftraum 38durch den zweiten Drosselspalt 79 indan Zwischenraum 62 und ebenfalls durch den Luftspalt 60 in die Brennkammer 30. (Vgl. Pfeile 112 in Fig. 2) Diese Luftbewegung v/ird durch die trichterförmige Ausbildung der Trennwand 73 und durch das von der Brennkammer 30 in das Übergangsstück übertretende Treibgas infolge Injektorwirkung verstärkt (Pfeil 114). Luftraum 38 und die Raum-Einheit 48, 50 sind somit gegeneinander berührungslos abgedichtet und der Übergang von der Brennkammer 30 zum Übergangsstück 44 ist gekühlt.

Gleichzeitig tritt Kühlluft durch die Durchblickdichtung 45 zur ersten Turbinenstufe 24. Die Durchblickdichtung 45 dichtet hierbei die Begrenzung des Treibgaseinlaßes 46 gegen die Welle 10 ab.

Um nun den durch die Turbinenstufen erzeugten, und nach links gerichteten Axialschub auszugleichen, sind die Druckmittelräume 50, 54 und 56 über die Durchblickdichtungen 52 und 58 miteinander verbunden. Da der zweite Druckmittelraum 54 an das Kühlsystem 85, 86, 88 der zweiten Turbinenstufe 22 angeschlossen ist, strömt ein Teil des Kühlmittels, d.h. Luft aus dem Druckmittelraum 54 zum Kühlsystem 85, 86, 88. Ebenso strömt Kühlmittel aus dem letzten Druckmittelraum 56 über die Leitung 94 zum Abgasstutzen ,18. Die Spalte der Durchblickdichtungen 52 und 58 sind hierbei so gewählt, daß sich

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eine solche Druckdifferenz zwischen den einzelnen Ausgleichskolben einstellt und auf die Kolbenflächen einwirkt, daß die nach rechts wirkende Kolbenkraft den nach links gerichteten Axialschub ausgleicht oder zumindest weitgehend ausgleicht.

Hierbei ist die wirksame Fläche des ersten Ausgleichskolbens 26 vorzugsweise so gewählt, daß diese Fläche zusammen mit dem im ersten Druckmittelraum 50 herrschenden Druck den Schub der ersten Turbinenstufe 24 ausgleicht, wogegen der Überdruck im zweiten Druckmittelraum 54 im Zusammenwirken mit dem im Durchmesser auf die zweite Turbinenstufe abgestimmten zweiten Ausgleichskolben 28 den Schub der zweiten Turbinenstufe 22 abfängt. Hierdurch wird das Axiallager 16 weitgehend entlastet und es kann daher entsprechend schwächer und einfacher ausgebildet sein. Da der Druck in den Druckmittelräumen 50, 54 und 56 durch Entnahme der Druckluft aus der Druckluftzufuhr 40 zur Brennkammer erfolgt, paßt sich der Druck in den Druckmittelräumen ohne zusätzlichen Aufwand an veränderte Betriebsbedingungen an, so daß der Axialschub auch bei schwankenden Betriebszuständen selbsttätig ausgeglichen ist.

Die aus dem zweiten Druckmittelraum 54 entnommene Kühlluft wird dem Kühlsystem 85, 86, 88 der zweiten Turbinenstufe zugeführt. Die Kühlluft durchströmt hierbei den ringförmigen Raum 86 und kühlt die Füße der feststehenden Leitschaufeln der zweiten Stufe, ein anderer Teil der Kühlluft strömt zur Ringnut 88 und kühlt den Einlaßbereich, die Wellenpartie und die Laufschaufeln der zweiten Stufe 22.

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Das Überströmventil 98 bewirkt eine unmittelbare Zufuhr von Kühlluft zum Kühlsystem der zweiten Turbinenstufe, falls in diesem Kühlsystem ein am Überströmventil voreinstellbarer Differenzdruck unterschritten wird. Dies könnte dann der Falls sein, wenn infolge von Schäden der Durchblickdichtung 52 oder durch Leckagen das Kühlluftangebot für das Kühlsystem 85, 86, 88 zu gering ist und somit der Druck dieses Systems abfällt.

Durch das Überdruckventil 104 werden schädliche Überdrücke von Kühlsystem ferngehalten und in den Übergangsraum 65 abgeleitet. Durch Verstellung der vorgegebenen Druckdifferenz kann der am Axiallager 14 wirkende Restschub., in gewissen Grenzen verändert werden.

Beim Abstellen der Turbine wird mindestens eines der Absperrorgane 120 vorzugsweise selbsttätig geöffnet und somit Druckluft über die Leitungen 43 und 116 z.B. dem Luftspeicher entnommen und den Turbinenstufen sowie der letzten Laufschaufelreihe zugeführt. Diese Druckluft nimmt die beim Auslaufen der Turbine entstehende Wärme auf und führt sie über den Abgaskanal 18 ab. In den meisten Fällen wird die Zufuhr der Druckluft über eine der Stichleitungen 118 genügen, so daß die übrigen Stichleitungen entfallen können.

Wie sich aus dem vorbeschriebenen Ausftihrungsbeispiel leicht erkennen läßt, besteht der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Gasturbine darin, daß .mit geringem Bauaufwand und geringem Betriebsmittelaufwand eine gute Kühlung thermisch hochbelasteter Turbinenteile sowie gleichzeitig ein Belastungsschwankungen folgender Schubausgleich erreicht werden kann, wobei die Vorwärmung des Kühlmittels wesentlich zur Verringerung thermischer Spannungen beiträgt.

•08682/OUS

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Claims

Patentansprüche

Gasturbine, insbesondere für eine Luftspeicheranlage, mit ' wenigstens einer vom vorzugsweise heißen Treibgas axial ^! durchströmbaren Turbinenstufe sowie mindestens einem I auf der Welle der Turbine angeordneten und an Druckini ttelräume grenzenden Ausgleichskolben für den Axialschub, dadurch gekennzeichnet« daß ein erster Druckmittelraum (50) dem Treibgaseinlaß (46) der Turbinen- j stufe (24) benachbart ist und mittels einer mit dem ! Ausgleichskolben (26) zusammenarbeitenden ersten Durch- \ blickdichtung (52) von wenigstens einem weiteren Druck- i mittelraum (54) getrennt sowie mit einem gasförmigen j Druckmittel, vorzugsweise Luft, beaufschlagbar ist, ! dessen Druck höher als der Druck des Treibgases im j Bereich des Treibgaseinlaßes (46) ist, und daß mindestens ein Kühlsystem (85, 86, 88) der Gasturbine
an den weiteren Druckmittelraum (54) zur Kühlmittelversorgung angeschlossen ist, wobei der Spalt der
ersten Durchblickdichtung (52) so gewählt ist, daß zwischen den Druckmittelräumen (50, 54) eine einen zumindest teilweisen Ausgleich des Axialschubes mittels des
Ausgleichskolbens (26) bewirkende Druckdifferenz ein·»
stellbar ist.

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ORIGINAL INSPECTED

_562/77 21^5., 1977
2. Gasturbine nach Anspruch 1 mit mehreren Turbinenstufen und Ausgleichskolben, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Reihe hintereinander angeordnete weitere Druckmittelräume (54, 56) vorhanden sind, die jeweils an einen weiteren Ausgleichskolben (28) grenzen und mittels jeweils einer weiteren, mit einem weiteren Ausgleichskolben zusammenarbeitenden Durchblickdichtung (58) voneinander getrennt sind, daß das Kühlsystem (85» 86, 88)I an einen der weiteren Druckmittelräume (54, 56) ange- ; schlossen ist.und die Spalte der Durchblickdichtungen j (52, 58) so gewählt sind, daß zwischen den Druckmit- ; telräumen (50, 54, 56) eine den Axialschub zumindest J teilweise ausgleichende Druckdifferenz einstellbar ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem (85, 86, 88) für eine der ersten Turbinenstufe (24) nachgeschaltete Turbinenstufe (22) vorgesehen ist.
4. Gasturbine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Kühlsystem einer nachgeschalteten Turbinenstufe zugeordnet und an jeweils einen weiteren Druckmittelraum angeschlossen ist.
5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem der zweiten Turbinenstufe (22) an den zweiten Druckmittelraum (54), das Kühlsystem der dritten Turbinenstufe an den dritten Druckmittelraum usw. - vom Treibgaseinlaß her gesehen - angeschlossen ist.

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__.5_62/77_ . 13^5.1977,
6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Anschluß des Kühlsystems jeweils an einen von zwei Ausgleichskolben mitgebildeten Druckmittelraum, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Druckmittelraum (56) an den Abgaskanal (18) angeschlossen ist.
7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Druckmittelraum (50) mit einem die erste Turbinenstufe (24) umgebenden Mantelraum (48) eine Raum-Einheit (48, 50) bildet.
8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit Erzeugung der heißen Treibgase in wenigstens einer Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Druckmittelraum (50) an die Druckluftzufuhr (40) zur Brennkammer (30) der ersten Turbinenstufe (24) anschließbar ist.
9·- Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindung zwischen erstem Druckmittelraum (50) und der Druckluftzufuhr (40) ein im Abgaskanal (18) angeordneter Wärmetauscher (84) zur Luftvorwärmung einschaltbar ist.
10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Flächen des ersten Ausgleichskolbens (26) für den Ausgleich des Axialschubes der ersten Turbinenstufe (24) und jeder weitere Ausgleichskolben (28) jeweils für den Ausgleich des Axialschubes einer weiteren Turbinenstufe (22) ausgebildet ist.

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562/77 23.5.1977
11. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem (85, 86, 88) mit wenigstens einem geregelten Überdruckventil (104) versehen ist, das beim Überschreiten einer voreingestellten Druckdifferenz zwischen dem Kühlsytem (85, 86, 88) und einen Übergangsraum (65) öffnet, wobei der Übergangsraum (65) zwei Turbinenstufen gasseitig verbindet.
12. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsyäbem (85, 86, 88) wenigstens ein geregeltes Überströmventil (98) aufweist, welches in eine Verbindung (96) zwischen dem Kühlsystem (85, 86, 88) und der Druckmittelleitung (82) eingefügt ist und welches beim Unterschreiten einer voreingestellten Druckdifferenz zwischen dem Kühlsystem (85, 86, 88) und dem Übergangsraum (65) öffnet.
13. Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 bis 12 mit Erzeugung der heißen Treibgase für die erste Turbinenstufe in mindestens einer am Turbinengehäuse angeordneten luftgekühlten ersten Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Raum-Einheit (48, 50) von einem zum Treibgaseinlaß (46) der ersten Turbinenstufe führenden Übergangsstück (44) durchdrungen ist, in welches das offene Ende der ersten Brennkammer (30) unter Bildung eines Luftspaltes (60) eingeführt ist, wobei die Raum-Einheit (48, 50) gegen einen*die erste Brennkammer umgebenden Luftraum (38), welcher mit Verbrennungsluft beaufschlagbar i§t, durch wenigstens zwei im Luftraum hintereinander angeordnete Drosseln (64, 66) abgedichtet ist, die einen Zwischenraum (62) begrenzen, in welchen der Luftspalt (60) mündet. (Fig. 2)

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14. Gasturbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die der Raum-Einheit (48, 50) benachbarte erste Drossel (64) einen das Übergangsstück (44) umfassenden und an diesem befestigten flachen Ringkörper (70) aufweist, welcher in einen Ringspalt (72) eines Außenringes (74) eingreift, der zwischen sich und der Luftraum-Außenwand (75) einen ersten Drosselspalt (77) freiläßt und der wenigstens aus zwei Ring-Segmenten besteht, die über einen Verbindungsring (78) miteinander verbunden sind. (Fig. 2)
15. Gasturbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die andere, zweite Drossel (66) einen zweiten Drosselspalt (79) aufweist, der zwischen der Brennkammerwand (80) und einem die Brennkammerwand (80) umgebenden zylindrischen Hohlkörper (81) gebildet ist, der von einer den Luftraum (38) durchdringenden und an der Luftraum-Außenwand (75) befestigten ringförmigen Trennwand (73) getragen ist. (Fig. 2)
16. Gasturbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (81) zwischen der Brennkammerwand (80) und dem aufgeweiteten oberen Ende des Übergangsstückes (44) angeordnet ist. (Fig. 2)
17. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abstellen der Treibgaszufuhr die Turbinenstufen (22, 24) und die j letzte Laufschaufelreihe der letzten Turbinenstufe (22) j einzeln oder in beliebiger Kombination mit einem gasförmigen Kühlmedium beaufschlagbar sind zur Abfuhr der beim Auslaufen der Turbine anfallenden Ventilationswärme ·
18. Gasturbine nach Anspruch 17 mit einem Luftspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium aus Druckluft besteht, die dem Luftspeicher entnommen ist.

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