DE3228799A1 - GAS TURBINE - Google Patents
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Description
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GasturbineGas turbine
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine und befaßt sich insbesondere mit einem Wärmetauscher, der mit dem Statorgehäuse einer Gasturbine in einem Stück ausgebildet ist und dadurch, daß er ein angemessenes Vorwärmen des Statorgehäuses vor dem Anlassen der Turbine und anschließend eine wirksame Kühlung der Turbine erlaubt, es gleichfalls möglich macht, die Schwierigkeiten in starkem Maße zu beseitigen, die in Verbindung mit Übergangszuständen der Gasturbine auftreten, so daß bei derartigen Turbinen ein hoher Wirkungsgrad bei niedrigen Kosten und einem einfachen Aufbau erzielbar ist.The invention relates and is particularly concerned with a gas turbine with a heat exchanger which is formed in one piece with the stator housing of a gas turbine and by having adequate preheating of the stator housing before the turbine is started and then a allows effective cooling of the turbine, also makes it possible to eliminate the difficulties to a great extent, which occur in connection with transition states of the gas turbine, so that a high efficiency at low cost and a simple structure can be achieved with such turbines is.
Wie es allgemein bekannt ist, treten bei einer Gasturbine, und insbesondere in der Leistungsstufe der Gasturbine hohe Temperaturen auf, die beträchtliche Wärmeausdehnungen der betreffenden Bauteile verursachen. Während sich jedoch der Rotor aufgrund der Tatsache, daß auf seine Flügel direkt die heißen Gase einwirken, unmittelbar ausdehnt,, wenn die Turbine angelassen wird, braucht das Statorgehäuse aufgrund seiner beträchtlichen Stärke, seiner mehr außen liegenden Position und der Tatsache, daß es einer stärkeren Kühlung ausgesetzt ist, mehr Zeit, um erwärmt zu werden und sich somit auszudehnen.As is well known, high power levels occur in a gas turbine, and particularly in the power stage of the gas turbine Temperatures that cause considerable thermal expansion of the components concerned. However, while the Due to the fact that the hot gases act directly on its blades, the rotor expands immediately when the Turbine is started, the stator housing needs due to its considerable strength, its more external Position and the fact that it is exposed to stronger cooling, more time to heat up and thus relax to expand.
Um somit zu vermeiden, daß während derartiger Übergangszustände die Rotorteile dann, wenn sie sich ausdehnen, an den festen Statorteilen reiben, was zu möglichen Beschädigungen der Flügel und /oder der Dichtungselemente führen kann, werden die Zwischenräume zwischen dem Rotor und dem Stator bei den gegenwärtig bekannten Gasturbinen ausreichend breit gehalten, was eine Abnahme des Wirkungsgrades der betreffen-Thus, in order to avoid that during such transitional states, the rotor parts, when they expand, on the rubbing solid stator parts, which can lead to possible damage to the blades and / or the sealing elements the gaps between the rotor and the stator in the currently known gas turbines are kept sufficiently wide, resulting in a decrease in the efficiency of the
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den Turbine zur Folge hat. the turbine has the consequence.
Durch die Erfindung soll daher dieser Mangel beseitigt werden und somit eine Turbine mit hohem Wirkungsgrad insofern geschaffen werden, als es möglich wird, die Zwischenräume zwischen dem Rotor und dem Stator in der Leistungsstufe enger zu halten.The invention is therefore intended to eliminate this deficiency and thus create a turbine with a high degree of efficiency in that it is possible to keep the gaps between the rotor and the stator narrower in the power stage.
Das wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß das Statorgehäuse der Leistungsstufe vorerwärmt und .dazu gebracht wird, sich auszudehen, bevor die Turbine angelassen wird, so daß sowohl im kalten Zustand als auch im betriebsbereiten Zustand kein Hindernis eine weitere Ausdehnung des Rotors trotz der Tatsache behindert, daß die Zwischenräume zwischen dem Stator und dem Rotor so klein wie möglich gehalten sind.This is essentially achieved in that the stator housing of the power stage is preheated and brought to it, to go out before the turbine is started, so that both in the cold state and in the operational state no obstacle hindered further expansion of the rotor despite the fact that the spaces between the stator and the rotor are kept as small as possible.
Das Vorerwärmen des Statorgehäuses erfolgt darüberhinaus nicht direkt, sondern indirekt insofern über eine Wärmeleitung als es ein weiteres Ziel der Erfindung ist, die Kühlung im betriebsbereiten Zustand des Statorgehäuses zu verbessern und eine direkte Erwärmung des Statorgehäuses aufgrund des Vorliegens von Heizeinrichtungen es sowohl schwierig als aufwendig machen würde, das zu erreichen.The stator housing is also preheated not directly, but indirectly via heat conduction, as a further aim of the invention is cooling to improve in the operational state of the stator housing and direct heating of the stator housing due to the presence of heaters would make it both difficult and expensive to achieve.
Andererseits ist eine noch wirksamere Kühlung des Statorgehäuses im betriebsbereiten Zustand dann erforderlich, wenn die Ausdehnung des Statorgehäuses aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen der Vorwärmtemperatur und der Temperatur im betriebsbereiten Zustand so klein wie praktisch möglich gemacht werden soll, um die Zwischenräume zwischen dem Stator und dem Rotor im betriebsbereiten Zustand so klein wie möglich zu halten und gleichfalls die günstigen Ergebnisse hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der Einfachheit des Aufbaus zu erhalten, da ein kaltes Statorgehäuse nicht schwierig aufzubauen ist und aus billigenOn the other hand, an even more effective cooling of the stator housing in the operational state is required when the expansion of the stator housing due to the temperature difference between the preheating temperature and the temperature in the operational state should be made as small as practically possible to the gaps between to keep the stator and the rotor in the operational state as small as possible and also the cheap ones To obtain results in terms of economy and the simplicity of the construction, since a cold stator housing is not difficult to build and made cheap
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Stahllegierungen, d.h. aus Materialien bestehen kann, die nicht mit so hohen Kosten verbunden sind. Auch diese Verbesserung in der Kühlung wird dann dadurch erhalten, daß statt einer direkten Einwirkung auf das Statorgehäuse über Wärmeleitung indirekt auf das Statorgehäuse eingewirkt wird.Steel alloys, i.e. can consist of materials that are not associated with such high costs. This improvement too in the cooling is then obtained that instead of a direct action on the stator housing via heat conduction acts indirectly on the stator housing.
Das heißt zusammengefaßt, daß gemäß der Erfindung sowohl die Vorwärmung als auch die sich anschließende Verbesserung der Kühlung des Statorgehäuses der Gasturbine dadurch erzielt werden, daß auf ein Zwischenverbindungselement oder ein Übergangsteil eingewirkt wird, das thermisch mit dem Statorgehäuse am stromabwärts liegenden Teil in Berührung steht und über eine darin eingebettete elektrische Heizspule erwärmt wird, und daß umgekehrt durch einen Luftstrom unter Druck gekühlt wird, der von der Kompressionsstufe des Gasgenerators abgezogen wird und schraubenförmig in einer Ringkammer des Übergangsteils in der Richtung vom stromaufwärts liegenden Teil zum stromabwärts liegenden Teil geleitet wird.In summary, that is, according to the invention, both the preheating and the subsequent improvement of the This achieves cooling of the stator housing of the gas turbine that is acted on an interconnection element or transition part thermally connected to the stator housing is in contact on the downstream part and heated by an electrical heating coil embedded therein and that, conversely, it is cooled by a stream of air under pressure produced by the compression stage of the gas generator is withdrawn and helically in an annular chamber of the transition part in the direction from the upstream lying part is passed to the downstream part.
Die erfindungsgemäße Gasturbine umfaßt unter anderem einen Gasgenerator, der an der Stirnseite und koaxial mit dem stromaufwärts liegenden Ende eines Zwischenverbindungselementes oder eines Übergangsteils verbunden ist, dessen stromabwärts liegendes Ende seinerseits sowohl an der Stirnseite als auch koaxial in Wärmekontakt mit dem Statorgehäuse der Leistungsstufe über eine sehr breite Ringfläche steht, wobei das Übergangsteil entsprechend seinem stromaufwärts liegenden Ende eine radiale Rohrgruppe hält, die für die Luft vorgesehen ist, die dazu dient, die Laufräder der Leistungsstufe zu kühlen, wobei diese Luft unter Druck von der Kompressionsstufe des Gasgenerators abgezogen wird. Die erfindungsgemäße Gasturbine zeichnet sich dadurch aus, daß das Zwischeriverbindungselement oder Übergangsteil mit einer elekrischen Heizspule, die in seiner Außenfläche ein-The gas turbine according to the invention includes, inter alia, a gas generator on the end face and coaxial with the upstream end of an intermediate connecting element or transition part is connected, the downstream end in turn, both at the end face and coaxially in thermal contact with the stator housing the power level is over a very wide ring area, the transition part corresponding to its upstream lying end holds a radial group of tubes, which is provided for the air that serves the impellers to cool the power stage, this air is drawn off under pressure from the compression stage of the gas generator. The gas turbine according to the invention is characterized in that the intermediate connecting element or transition part with an electric heating coil, which has a
gebettet und mit einer inneren Ringkammer ausgerüstet ist, in deren Innerem eine Gruppe von vertikalen Ringrippen einen schraubenförmigen Weg für den Luftstrom zur Kühlung begrenzen, wobei die Luft vom stromabwärts liegenden Ende der Kammer und somit vom Übergangsteil zum stromaufwärts liegenden Ende in der radialen Rohrgruppe vorbewegt wird.is bedded and equipped with an inner ring chamber, Inside, a group of vertical annular ribs delimit a helical path for the air flow for cooling, the air from the downstream end of the chamber and thus from the transition part to the upstream end End is advanced in the radial tube group.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die innere Ringkammer des Zwischenverbindungselementes oder des Übergangsteils auch entsprechend dem stromaufwärts liegenden Ende mit Kühlluft versorgt, wobei die beiden Versorgungsluftströme stromaufwärts und stromabwärts jeweils durch speziell vorgesehene Ventile gesteuert werden. In dieser Weise, d.h. dadurch, daß die Ventile in passender Weise bemessen oder geeicht werden, kann die Stärke des Luftstromes zur Kühlung,der durch die Kammer des Zwischenverbindungselementes strömt,und somit die Kühlung des Statorgehäuses der Leistungsstufe gleichfalls reguliert oder eingestellt werden. In a preferred embodiment of the invention, the inner annular chamber of the intermediate connecting element or of the transition part is also supplied with cooling air corresponding to the upstream end, the two supply air flows upstream and downstream are each controlled by specially provided valves. In this way i.e., by properly sized or calibrated the valves, the strength of the air flow to the Cooling that flows through the chamber of the intermediate connecting element, and thus the cooling of the stator housing of the power stage can also be regulated or adjusted.
Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:In the following, a particularly preferred embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawing described. Show it:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene SeitenanFig. 1 is a partially sectioned side
sicht des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gasturbine mit dem Wärmetauscher, der mit dem Statorgehäuse in einem Stück ausgebildet ist;view of the embodiment of the gas turbine according to the invention with the heat exchanger, which is formed in one piece with the stator housing;
Fig. 2 eine geschnittene TeilGeitenansicht imFig. 2 is a partial sectional side view in
vergrößerten Maßstab des in Fig. 1 dargestellten Wärmetauschers.enlarged scale of the heat exchanger shown in FIG.
Die in der Zeichnung dargestellte Gasturbine 1 umfaßt einThe gas turbine 1 shown in the drawing comprises a
Luftz'uggehäuse 2, das das stromaufwärts liegende Ende eines Gasgenerators 3 hält, dessen anderes Ende am stromaufwärts liegenden Ende 41 eines Zwischenverbindungselementes oder Übergangsteils 4 befestigt ist, das einen im wesentlichen zylindrischen Umriß hat. Das stromabwärts liegende Ende 4" des Elementes 4 ist seinerseits über Bolzen 5 am Statorgehäuse 6 der Leistungsstufe 7 befestigt, wobei das Gehäuse die Statorflügel 8 trägt, während die Laufräder 9, die an der Leistungswelle 10 der Stufe 7 angebracht sind, durch den Kühlluftstrom gekühlt werden, der über eine radiale Rohrgruppe 11 zugeführt wird. Die Rohre 11 sind vom Übergangsteil 4 entsprechend dessen stromaufwärts liegenden Endes.4' gehalten.Air draft housing 2 which holds the upstream end of a gas generator 3, the other end of which is attached to the upstream end 4 1 of an intermediate connecting element or transition part 4 which has a substantially cylindrical outline. The downstream end 4 ″ of the element 4 is in turn fastened by bolts 5 to the stator housing 6 of the power stage 7, the housing carrying the stator blades 8, while the impellers 9, which are attached to the power shaft 10 of the stage 7, are cooled by the flow of cooling air which is supplied via a radial tube group 11. The tubes 11 are held by the transition part 4 in accordance with its upstream end 4 '.
Fig. 1 zeigt gleichfalls einen Diffusor 12, das Abgasgehäuse 13 und die Rohrleitung 14, die die Luft, die unter Druck von der Zwischenkompressionsstufe des Gasgenerators 3 abgezogen wird, zu den radialen Rohren 11 führt.Fig. 1 also shows a diffuser 12, the exhaust housing 13 and the pipe 14, which the air under pressure from the intermediate compression stage of the gas generator 3 is withdrawn, leads to the radial tubes 11.
Das zylindrische Übergangsteil 4 ist mit einer elektrischen Heizspule 15 ausgerüstet, die in die Außenfläche des Teils eingebettet ist und an ihrer Oberseite von einem ringförmigen Isolierdeckel 16 eingeschlossen ist.The cylindrical transition part 4 is with an electrical Equipped heating coil 15, which is embedded in the outer surface of the part and at its top by an annular Insulating cover 16 is included.
Im Inneren ist das zylindrische Teil 4 andererseits mit einer Ringkammer 17 sowie mit einer Gruppe von vertikalen Ringrippen 18 versehen, die die Kammer 17 in einer Anzahl von Ringkammern 17-j, 17£» 17-*> 17^ jeweils unterteilen, die so der Reihe nach und wechselseitig verbunden sind, daß sie einen schraubenförmigen Durchgang liefern. Die am weitesten stromabwärts liegende Kammer 17a ist über ein Regelventil mit der Rohrleitung 14 zum Führen des Kühlluftstromes verbunden, wohingegen die am weitesten stromaufwärts liegende Kammer 17/± über eine Gruppe von Bohrungen 20 mit der Ringkammer 21 in Verbindung steht, in die die radialen RohreInside, the cylindrical part 4 is on the other hand provided with an annular chamber 17 and with a group of vertical annular ribs 18, which subdivide the chamber 17 in a number of annular chambers 17-j, 17 £ »17 - *> 17 ^ each, which so the Connected in series and reciprocally to provide a helical passage. The most downstream chamber 17a is connected via a control valve to the pipeline 14 for guiding the flow of cooling air, whereas the most upstream chamber 17 / ± is connected via a group of bores 20 to the annular chamber 21, into which the radial pipes
münden, und über das Regelventil 22 mit der oben erwähnten Rohrleitung 14 verbunden ist.open out, and is connected to the above-mentioned pipeline 14 via the control valve 22.
In dieser Weise kann das Zwischenverbindungselement oder das Übergangsteil 4 wie ein Wärmetauscher für das Statorgehäuse 6 insofern wirken, als es dann, wenn es durch die elektrische Heizspule 15 erwärmt wird, die V/ärme über die ringförmige Kontaktfläche 23 auf das Statorgehäuse 6 überträgt, das dadurch erwärmt wird, während dasselbe Übergangsteil 4 dann, wenn es über den Zwangsumlauf der Kühlluft gekühlt ■ wird, die von der Ringkammer 17,, zur Ringkammer 21 fließt, , Wärme vom Statorgehäuse β wiederum über die ringförmige Kontaktfläche 23 abführt, wodurch das Statorgehäuse gekühlt v/ird.In this way, the intermediate connecting element or the transition part 4 can be used as a heat exchanger for the stator housing 6 act in that when it is heated by the electric heating coil 15, the V / arms over the annular Transferring contact surface 23 to the stator housing 6, which is heated thereby, while the same transition part 4 when it is cooled by the forced circulation of the cooling air ■ flowing from the annular chamber 17 to the annular chamber 21, , Heat from the stator housing β in turn dissipates via the annular contact surface 23, whereby the stator housing is cooled v / ird.
Um die Stärke des Wärmeaustausches zwischen dem Übergangsteil 4 und dem Statorgehäuse 6 zu erhöhen, ist letzteres so ausgebildet, daß es eine kleine Masse hat, so daß eine kleine thermische Trägheit erzielt wird, wohingegen der mittlere Teil und das stromabwärts liegende Ende 4" des Übergangsteils 4 massiv ausgebildet sind, um die Wärmeübertragung darüber zu verstärken,und ist schließlich die oben genannte ringförmige Kontaktfläche 23 groß ausgebildet, um den Wärmeaustausch zu verstärken.In order to increase the strength of the heat exchange between the transition part 4 and the stator housing 6, the latter is so designed to have a small mass, so that a small thermal inertia is obtained, whereas the middle one Part and the downstream end 4 ″ of the transition part 4 are solidly designed to allow the heat transfer about it to step up, and finally is the above annular contact surface 23 made large in order to strengthen the heat exchange.
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