DE3041175A1

DE3041175A1 - Kuehlvorrichtung fuer ein gasturbinenaggregat

Info

Publication number: DE3041175A1
Application number: DE19803041175
Authority: DE
Inventors: Jean Lamorlaye Poulain
Original assignee: Alsthom Atlantique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1979-11-07
Filing date: 1980-10-31
Publication date: 1981-05-14
Also published as: GB2064008A; FR2469565B1; FR2469565A1; BE885794A; IT1129374B; IT8068698A0

Description

KÜHLVORRICHTUNG FÜR EIN GASTURBINENAGGREGAT

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein diskontinuierlich zyklisch gekühltes Gasturbinenaggregat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die FR-PS 20 87 405 (Patent Nr. 70 181 22) beschreibt ein Gasturbinenaggregat mit einem Zentrifugalverdichter mit Ausgangsdiffusor, einer Brennkammer und einer an ihrem Eingang eine Volute und einen Leitapparat aufweisenden Zentripetalturbine.

Die Rotoren des Verdichters und der Turbine sind fest auf einer gemeinsamen Welle miteinander verbunden. Der Rotor der Turbine wird diskontinuierlich gekühlt, indem er abwechselnd vom heißen, aus der Brennkammer kommenden Gasstrom und vom kalten, aus dem Verdichter austretenden Gasstrom beaufschlagt wird, wobei letzterer direkt ohne Umweg über Diffusor, Volute und Leitapparat vom Ausgang der drehenden Beschaufelung des Verdichters zum Eingang der umlaufenden Beschaufelung der Turbine geführt wird. Der heiße Gasstrom wird vom kalten Gasstrom vor und hinter der Turbine durch Zwischenwände getrennt.

Durch diese Anordnung wird eine ausgezeichnete Kühlung der Turbine erreicht, so daß die Einlaßtemperatur der in die Turbine gelangenden Gase erhöht werden kann. Zwar erwies sich bei Versuchsläufen die Kühlung als noch besser als vorher errechnet, aber hinsichtlich der Leistung und spezifischem Brennstoffverbrauch blieb die Turbine hinter den Erwartungen zurück.

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Aufgabe der Erfindung ist es-also, eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich Leistung und Brennstoffverbrauch der Turbine zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Kühlvorrichtung gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Mit der diskontinuierlichen Kühlung durch abwechselnde Heiß- und Kaltgasströme kann die Turbineneinlaßtemperatur von 9OO°C bei einem ungekühlten Turbinenaggregat auf 1100 C, also um 200 C erhöht werden; mit der an sich bekannten Kühlung durch Luftzirkulation in innerhalb der Turbinenschaufeln liegenden Kanälen ohne zusätzliche diskontinuierliche Kühlung kann die Einlaßtemperatur auf 1138°C, also um 238°C erhöht werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die beide Systeme kombiniert, kann die Einlaßtemperatur dagegen 14O5 C betragem, somit um 505 C höher liegen als bei einer ungekühlten Turbine.

Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden drei Figuren mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Turbinenaggregats mit erfindungsgemäßer Kühlvorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine Variante zu Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Flugzeugturbine mit einem einzigen zweiteiligen Axialverdichter und der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.

Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt das Turbinenaggregat einerseits eine Verdichtereinheit mit einem Zentrifugalverdichter l

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und einem Axialverdichter 2, eine Brennkammer 3 und einer Axialturbine 4, und andererseits eine Leistungs- oder Antriebsturbine 5. Die Axialturbine 4 wird einerseits von den aus der Brennkammer 3 kommenden heißen Gasen auf einem ümfangssektor von etwa 70% und andererseits von den aus dem Zentrifugalverdichter 1 stammenden kalten Gasen, die nicht die Brennkammer 3 durchlaufen haben, auf dem restlichen Ümfangssektor von etwa 30% beaufschlagt. So werden die einzelnen Schaufeln der Axialturbine 4 diskontinuierlich durch abwechselnde Beaufschlagung mit einem heißen und einem kalten Gasstrom gekühlt. Erfindungsgemäß wird dieser zyklischen Kühlung eine herkömmliche Kühlung in Form einer Luftzirkulation in innerhalb der Turbinenschaufeln liegenden Kanälen überlagert. Diese Luftzirkulation wird durch Pfeile A angedeutet. Die kalte Gasströmung erfährt in der Axialturbine 4 einen geringen Druckabfall, und die kalte Gasströmung wird von der heißen an der Stelle 6 in Höhe des Austritts des kalten GasStroms aus der Turbine 4 getrennt. Die durch die Turbine 4 auf den kalten Gasstrom übertragenen Kalorien werden in einem Wasserwärmetauscher 7 wieder abgegeben; der kalte Gasstrom gelangt danach durch eine Leitung 8 wieder zur Einlaßöffnung des ZentrifugalVerdichters 1. Im in Fig. 2 dargestellten Fall werden die dem kalten Gasstrom von der Turbine übertragenen Kalorien dem Zyklus wieder zugeführt. In diesem Beispiel ist der Auslaß des Axialverdichters 2 in zwei Zonen unterteiltl Durch eine erste, etwa 70% überdeckende Auslaßzone wird die komprimierte Luft durch eine Leitung 9 der Brennkammer zugeführt, und durch eine zweite, ungefähr

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30% ausmachende Auslaßzone wird die komprimierte Luft durch eine Leitung 10 einem rund 30% der Einlaßzone der Axialturbine 4 überdeckenden Einlaßsektor zugeführt.

An der Trennstelle 6 der Gasströmungen wird der kalte Gasstrom nach geringem Druckabfall in der Turbine durch die Leitung 11 in einen Wärmetauscher 12 geschickt, wo er einen Teil seiner Wärme an die aus dem Zentrifugalverdichter 1 kommende kalte verdichtete Luft abgibt, bevor er zum Einlaß des Zentrifugalverdichters 1 zurückkehrt. Vor dem Verdichtereinlaß ist ein Kühler 13 angeordnet. Nach Durchlaufen der aus dem Verdichter i kommende kalten verdichteten Luft durch den Wärmetauscher 12 und ihrer Erwärmung gelangt diese verdichtete Luft durch die Leitung 14 zur Brennkammer 3. Wie im Fall der Pig. I deuten die Pfeile A eine Luftzirkulation in -.in den Turbinenschaufeln vorhandenen Kanälen an.

In der Ausführungsform gemäß diesem Beispiel wird auf diese Weise ein Teil der durch die Axialturbine 4 auf den kalten Gasstrom übertragenen Wärme zurückgewonnen. Diese Zurückgewinnung erfolgt im Wärmetauscher 12; da jedoch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers nicht gleich 1 ist, geht im Kühler 13 ein Teil der von der Axialturbine auf den kalten Gasstrom übertragenen Wärme verloren. Gleichzeitig wird aber die vom Verdichter 1 verbrauchte Leistung verringert und somit im gleichen Maße die Nutzleistung erhöht.

In Fig. 3 handelt es sich um eine in der Luftfahrt eingesetzte Gasturbine, bei der die Verdichtereinheit aus einem einzigen zweigeteilten Axialverdichter 2 besteht. Der aus der Turbine

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an der Stelle 6 austretende kalte Gasstrom wird durch die Leitung 11 dem zweiten Teil des Axialverdichters 2 wieder zugeführt. In diesem Beispiel werden die aus der Turbine 4 kommenden heißen Gase in einer Düse 15 genutzt.

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Leerseite

Claims

31. Okt. 1980

ALSTHOM-ATLANTIQUE 38, avenue Kleber 75784 PARIS CEDEX 16 Frankreich

und

FABRIQUE NATIONALE HERSTAL S.A.

rue Voie de Lie*ge, 33 4400 HERSTAL, Belgien

KÜHLVORRICHTUNG FÜR EIN GASTURBINEN AGGREGAT

PATENTANSPRÜCHE

Kühlvorrichtung für ein Gasturbinenaggregat mit Verdichtereinheit, Brennkammer und diskontinuierlich gekühlter Turbine, deren Schaufeln abwechselnd mit einer heißen, aus der Brennkammer kommenden Gasströmung und mit einer kalten, nicht durch die Brennkammer geleiteten Gasströmung beaufschlagt werden, wobei der heiße und der kalte Gasstrom durch Zwischenwände vor und hinter der kalten Strömungsbahn in der Turbine voneinander getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der Turbine (4) darüber hinaus durch eine Luftströmung (A) gekühlt werden, die durch innerhalb der Turbinenschaufeln liegende Kanäle verläuft.

2 - Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kalte Gasstrom durch einen getrennten, mit einem Kühlmittel gekühlten Verdichter (1) in einem geschlossenen Kreislauf (8) umgewälzt wird.

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3 - Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgeheizte, aus der Turbine (4) kommende kalte Gasstrom vor seinem Eintritt in die Verdichtereinheit (1) einen Wärmetauscher (12) und eine Kühlvorrichtung (13) durchquert, und nach teilweisem Durchlauf durch die Verdichtereinheit (1) von neuem durch diesen Wärmetauscher geführt wird, bevor er zur Brennkammer (3) gelangt (Fig. 2).

4 - Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Turbine um eine Axialturbine (4) handelt, und daß die Verdichtereinheit einen aus zwei Teilen bestehenden Axialverdichter (2) umfaßt, von denen der zweite Teil neben der außen angesaugten Luft den aus der Turbine (4) kommenden und in diesen zweiten Teil wieder eingelassenen Gasstrom erhält und durchläßt.

5 - Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Turbine um eine Axialturbine (4) handelt, und daß die Verdichtereinheit einen mit Außenluft gespeisten Axialverdichter (2) und einen mit der aus der Turbine kommenden kalten Gasströmung gespeisten Zentrifugalverdichter (1) umfaßt.

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