DE3424229A1

DE3424229A1 - Kuehlluftstroemungs-modulationseinrichtung fuer eine gasturbine

Info

Publication number: DE3424229A1
Application number: DE19843424229
Authority: DE
Inventors: Peter Richard Ipswich Mass. Hull
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-07-23
Filing date: 1984-06-30
Publication date: 1986-01-09
Also published as: US4462204A; FR2567960A1; GB2160929A; GB2160929B; GB8416480D0; FR2567960B1

Description

Kühlluftströmungs-Modulationseinrichtung für eine Gasturbine
Die Erfindung bezieht sich auf Kühllufteinrichtungen für Gasturbinen.
Als die Turbineneinlaßtemperaturen erhöht worden sind, um den Wirkungsgrad von Gasturbinen und insbesondere Gasturbinentriebwerken zu verbessern, wurde es nötig, Kühlluft in die stationären und umlaufenden Turbinenschaufeln zu leiten, um die Temperaturen dieser Komponenten auf Werte zu begrenzen, denen die Materialien, aus denen diese Komponenten hergestellt sind, standhalten können. Bei höheren Betriebstemperaturen, beispielsweise beim Starten, wenn die Kraftmaschinen zum Antrieb von Flugzeugen verwendet werden, ist die erforderliche Kühlluftmenge relativ hoch. Bei eine niedrigere Temperatur erfordernden Betriebszuständen, wie beispielsweise im Leerlauf, ist relativ wenig oder gar keine Kühlluft für die Turbinenkomponenten erforderlich. Trotz dieser sehr unterschiedlichen Betriebsbedingungen ist es aus Gründen der Einfachheit und Sicherheit im allgemeinen nicht für wünschenswert erachtet worden, die Kühlluftströmung zu den Turbinenkomponenten zu verändern oder zu modulieren. Da also die Kraftmaschine so ausgelegt sein muß, daß die Kühlluftmenge geliefert wird, die für einen Betrieb bei maximaler Temperatur erforderlich ist, wird während anderer Betriebszustände eine zu große Kühlluftmenge geliefert, was dazu führt, daß der Wirkungsgrad der Kraftmaschinen während dieser Betriebsperioden vermindert wird. Die überschüssige Strömung bei diesen Betriebszuständen ist unwirtschaftlich, was einen schlechten Wirkungsgrad und einen höheren Brennstoffverbrauch zur Folge hat, als dies der Fall wäre, wenn diese Strömung auf die minimale Menge reduziert werden könnte, die für jeden bestimmten Betriebszustand erforderlich ist.
Auf dieses Wirkungsgradproblem hin sind verschiedene Konzepte vorgeschlagen und geprüft worden, um die Turbinenkühlströmung zu steuern oder zu modulieren, um somit diese unnötigen Wirkungsgradverluste zu eliminieren. Diese bekannten Systeme enthielten im allgemeinen Strömungsmodulierventile oder Vorrichtungen irgendwo in einer Reihe von Strömungsbereichen von der Quelle zur Senke. Viele dieser Systeme sind relativ komplex gewesen, wo viele bewegte Teile im wesentlichen innen in der Kraftmaschine eingebaut und somit relativ unzugänglich waren für eine Inspektion, Einstellung oder Wartung. Viele dieser komplexen Systeme unterliegen auch Sicherheitsproblemen, wie beispielsweise Fressen oder Klemmen, insbesondere da sie häufig in heißen und unzugänglichen Bereichen arbeiten müssen, die eine Schmierung oder Wartung der Teile verhindern oder erschweren.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes steuerbares Kühlsystem für eine Gasturbine zu schaffen. Dieses Modulier- oder Steuersystem soll ein externes Betätigungsglied für einen leichten Zugang und einfache Wartung aufweisen. Ferner soll das Modulationssystem einen strukturell unkomplizierten Aufbau besitzen, der übermäßige Druckverluste vermeidet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Kühlluftströmungs-Modulationseinrichtung geschaffen, die einen in Umfangsrichtung verlaufenden Verteiler zum Sammeln und Bilden einer Quelle von Hochdruck-Kühlluft für einen umlaufenden Turbinenabschnitt der Kraftmaschine aufweist. Die Steuerung bzw. Modulation der Kühlluftströmung in dem Turbi--.
nenabschnitt wird dadurch erreicht, daß Quellen von Verdichterauslaßluft moduliert werden, die in den in Umfangsrichtung verlaufenden Verteiler strömt. Die Verdichterauslaßluft wixd durch einen oder mehrere örtliche Durchlässe bzw. Kanäle g leitet, die Einlaßöffnungen aufweisen, welche nahe an dem Verdichterauslaß angeordnet sind, so daß aus dem Verdichterabschnitt austretende Druckluft kontinuierlich in die Durchs lässe strömen kann. Die Durchlässe sind so aufgebaut, daß sie relativ kalte Verdichterauslaßluft radial nach innen und anschließend axial stromaufwärts zu der Verteilerlage richten.
Nahe den Einlaßöffnungen von einem oder mehreren dieser Durchlässe sind Ventilmittel angeordnet zum Modulieren bzw.
Steuern der hindurchtretenden Kühlluftströmung. Diese Modulation steuert die Zufuhr von Luft zuw Verteiler. Die Ventilmittel werden in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Kraftmaschine betätigt, um während veränderbarer Betriebsbedingungen der Kraftmaschine entsprechende Kühlluftmengen zu den Turbinenschaufeln zu liefern.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht von einem Teil einer Gas turbine mit einem bekannten Kühlluft system.
Figur 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung von einem Teil einer Gasturbine mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung von einem Teil einer Gas turbine mit einem anderen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
In Figur 1 ist ein Teil einer Gasturbine 10 gezeigt, die in Strömungsrichtung hintereinander einen Verdichter 12, einen Brenner 14, eine Hochdruckturbine 16 und eine Niederdruckturbine 18 aufweist. Bei üblichem Betrieb wird die Einlaßluft durch den Verdichter 12 komprimiert, woraufhin sie in den allgemeinen Bereich des Brenners 14 strömt. Der größte Teil dieser verdichteten Luft strömt in den Brenner 14, wo sie mit Brennstoff gemischt und gezündet wird, um eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisende Gase zu bilden, der Kraftmaschine in Richtung auf den allgemeinen Bereich der Hochdruckturbine 16.
Bevor sie in den Turbinenabschnitt eintritt, wird die Kühlluft in 3600 umspannenden Umfangverteilern 40 gesammelt, die als eine Quelle für Hochdruck-Kühl luft für eine Innenkühlung des Turbinenabschnitts dienen. Aus dieser Quelle wird eine Kühlluftströmung durch tangentiale Strömungsbeschleuniger 42 in der Richtung eines umlaufenden Turbinenrotors 43 gerichtet.
Die Kühlluft strömt durch Einlaßlöcher 44, um in eine Kühlplattenkammer 46 des Rotors einzutreten. Von dieser Kammer 46 wird die Luft radial nach außen in Innenabschnitte der Turbinenschaufeln 20 verteilt. Die Luftströmung kühlt die Turbinenschaufeln 20 und tritt durch Kühllöcher in den Turbinenschaufeln in eine Turbinenströmungsbahn 24 ein.
Die Beschleuniger 42 sorgen für eine Tangentialströmungsbeschleunigung auf eine Geschwindigkeit, die an diejenige der Kühlströmung der Einlaßlöcher 44 des Turbinenrotors eng angepaßt ist, um den statischen Druck in der Kühlplattenkamrner 46 relativ zum Turbinenrotor zu vergrößern, wodurch der Innendruck der Turbinenschaufel erhöht wird. Ein ausreichender Druckpegel in den Schaufeln 20 ist erforderlich, um eine Kühlströmungsumkehr und ein Ansaugen von heißem Abgas in die Schaufeln zu verhindern, was auch als Rückströmung bekannt ist.
Aus Figur 2 sind zwei Umfangsverteiler 40 ersichtlich. Eine vorbestimmte Anzahl von vielen Luftkanälen 38 liefert Luft an einen einzelnen Verteiler 40, und diese vorbestimmten Luftkanäle sind auch mit Ventilmitteln 48 versehen, die unmittelbar stromabwärts von der Einlaßöffnung 36 angeordnet sind.
Die Ventilmittel 48 sind vorgesehen, um die Luftströmung durch diese vorbestimmten Luftkanäle 38 zu modulieren oder zu steuern, um dadurch die Kühlluftströmung in einen der Verteiler 40 und deshalb in einen der Beschleuniger 42 zu modulieren. Die Vorteile dieser Anordnung werden nachfolgend beschrieben.
Das Ventil 48 kann aus einer breiten Vielfalt von Ventilen ausgewählt werden. Einige Beispiele von möglichen Vorrichtungen sind ein Kegelventil, ein Drosselklappenventil oder ein Klappenventil, wie es in Figur 2 gezeigt ist.
Das gezeigte Klappenventil weist eine schwenkbare Klappe 50 auf, die gegen eine Wand des Kanals 38 anliegen kann, wodurch der Kanal offen bleibt. Um das Klappenventil zu schließen, wird ein Betätigungsarm 52 verlängert bzw. ausgefahren, um dadurch die Klappe in die gestrichelt gezeigte Lage zu schwenken, wodurch der Luftkanal 38 geschlossen wird.
Der Betätigungsarm 52 wird durch eine äußere Betätigungsvorrichtung 54 ein- und ausgefahren, wobei die Betätigungsvorrichtung 54 eine mechanische, elektrische, pneumatische, hydraulische oder irgendeine andere Betätigungseinrichtung sein kann. Es ist zwar nicht besonders wichtig, welcher Typ einer Betätigungsvorrichtung verwendet wird, es ist aber sehr hilfreich, wenn die Vorrichtung 54 außen von der Maschinenhaut 56 angeordnet ist. Dies gestattet einen einfachen Zugang zu der Betätigungsvorrichtung 54, beispielsweise zu ihrer Wartung. Die externe Anordnung der Betätigungsvorrichtung verhindert auch, daß sie hohen Temperaturen innerhalb des Brennerbereiches 34 der Maschine ausgesetzt ist. Es ist auch relativ einfach, irgendeine Steuereinrichtung für die Betätigungsvorrichtung 54 vorzusehen, um sie während verschiedener Betriebsarten auf entsprechende Weise zu betätigen.
Wie bereits ausgeführt wurde, enthält das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Kühlluftströmungs-Modulationseinrichtung zwei sich über 360° erstreckende Verteiler 40, die nebeneinander angeordnet sind, und zwar einer über dem anderen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeder dieser zwei Verteiler direkt mit einem oder mehreren entsprechenden Luftkanälen 38 verbunden. Diese Anordnung sorgt für einen natürlichen Vorteil, da, wenn gewisse vorbestimmte Luftkanäle 38 durch die Ventileinrichtungen 48 geschlossen sind, die übrigen Luftkanäle 38 zu einem nicht-modulierten Verteiler 40 offen bleiben. Der nicht-modulierte Verteiler, der mit den offenen Luftkanälen 38 verbunden ist, bleibt relativ unbeeinflußt von irgendeinem Druckverlust, der durch die geschlossenen Ventile verursacht werden könnte.
Diese Anordnung von einzelnen Kanal- und Verteilerkombinationen sichert einen normalen vollen Druckpegel für die offenen Luftkanal- und Verteilerkombinationen, was ein Volldruckverhältnis über dem nicht-moduliertem tangentialen Beschleuniger und eine volle Strömungsbeschleunigung und höhere Drucke in der Kühlluftkammer 46 und in den Turbinenschaufeln 20 zur Folge hat. Wie bereits erwähnt wurde, ist der höhere Druck notwendig, um eine Rückströmungsgrenze über der Schaufel 20 aufrechtzuerhalten. Diese Rückströmungsgrenze verhindert, daß heiße Gase im Turbinenabschnitt während des Betriebs in die Schaufel 20 strömen.
Eine Modulation bzw. Steuerung der Strömung zu allen erteiler- und Beschleunigerkombinationen würde das Druckverhältnis über dem Beschleuniger, die tangentiale Geschwindigkeit der aus dem Beschleuniger austretenden Luft vermindern und schließlich das Druckverhältnis in den Schaufeln 20 senken.
Somit sichert die Verwendung von zwei Beschleunigern 42, Verteilern 40 und Kanälen 38 mit der Modulation von nur einer Kanal-, Verteiler- und Beschleuniger-Kombination ein volles Druckverhältnis über dem nicht-modulierten Beschleuniger, um einen Schaufeldruckverlust zu vermeiden. Dies gestattet größere Verminderungen in den Kühlluftströmungen, während die ausreichende Rückströmungsgrenze beibehalten wird. Die Anzahl aller Verteiler 40 und die Anzahl von Verteilern, die nichtmodulierten Verteilern 42 entsprechen, können verändert werden.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Auswahl der Kanaleinlaßlagen stromaufwärts von dem Verdichterauslaß 32, wie es hier dargestellt ist, für eine relativ saubere Kühlluftaufnahme sorgt, da die Trägheit von Teilchen, die in der Verdichterauslaßluft mitgerissen werden, bewirkt, daß sie einer Bahn folgen, die an den Kanaleinlässen 36 vorbeiläuft. Die große Nähe der Kanaleinlässe 36 an der Außenhaut der Kraftmaschine gestattet auch eine externe Befestigung der Betätigungsvorrichtung 54 und aller bewegten Teile, wodurch für eine bessere Betriebssicherheit, Einfachheit und Wartung gesorgt wird.
In Figur 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Kühlluftströmungs-Modulationseinrichtung 30 gezeigt. Wiederum verwendet die Kraftmaschine bzw. das Triebwerk einen Zentrifugalverdichter, der Verdichterauslaßluft an einen den Brenner 14 umgebenden Bereich 34 ausstößt.
Die Verdichterauslaßluft tritt in einen Luftkanal 38 durch eine Einlaßöffnung 36 ein. Die Luftströmung in diese Einlaßöffnung 36 wird durch ein vorspringendes Kegelventil 58 gesteuert, das durch irgendeine Betätigungseinrichtung 54 betätigt werden kann.
Wiederum wird die Kühlluft durch den Luftkanal 38 radial nach innen und danach axial stromabwärts in Richtung auf den allgemeinen Bereich des Turbinenabschnitts gerichtet. In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel tritt die Kühl luft in einen einzigen, 3600 umspannenden Umfangsverteiler 40 ein, wo die Luft gesammelt wird, bevor sie durch einen Tangentialbeschleuniger 42 in den umlaufenden Turbinenabschnitt gerichtet wird.
Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich.
Beispielsweise wurde zwar die erfindungsgemäße Modulationseinrichtung dahingehend beschrieben, daß die Kühlluftströmung nach umlaufenden Hochdruckturbinenkomponenten geleitet wird, sie kann jedoch auch zur Kühlung anderer umlaufender oder stationärer Bereiche einer Gasturbine verwendet werden.
- L e e r s e i t e -

Claims

Kühlluftströmungs-Modulationseinrichtung für eine Gas turbine Ansprüche Kühlluftströmungs-Modulationseinrichtung für den Turbinenabschnitt einer Gasturbine, die einen Zentrifugalverdichter und einen Brenner aufweist, wobei der Turbinenabschnitt koaxial in dem Turbinengehäuse angeordnet und der Verdichter vor dem Brenner und der Turbinenabschnitt hinder dem Brenner angeordnet ist und der Verdichter Verdichterauslaßluft liefert zum Kühlen des Turbinenabschnitts, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - ein Auslaß (32)des Verdichters (12)radial außen von dem Brenner 04)angeordnet und nach hinten gerichtet ist, - ein Kanal 78)erste und zweite Enden aufweist, wobei das erste Ende radial außen von dem Brenner (14) und das zweite Ende radial innen davon angeordnet ist und eine Einlaßöffnung 76)an dem ersten Ende und vor dem Verdichterauslaß (32) angeordnet ist, - ein Verteiler gO)in Strömungsverbindung mit dem zweiten Ende des Kanals 38)stehet zum S-ammeln von daraus austretender Kühlluft und zur Bildung einer Quelle für Kühlluft zum Kühlen des Turbinenabschnitts (16), - ein Tagentialströmungsbeschleuniger 02)in Strömungsverbindung mit dem Verteiler CO)angeordnet ist und die Kühlluft zum Turbinenabschnitt (16) richtet, und - eine Ventileinrichtung (48) die Strömung der Kühlluft im Kanal (38) moduliert bzw. steuert/und eine Betätigungseinrichtung (54), die radial außen von dem Gehäuse ist, einen Betätigungsarm (52), der von der Betätigungseinrichtung durch das Gehäuse führt, und ein Ventil (50) aufweist, das in dem Kanal (38) einstellbar ist zum Modulieren bzw. Steuern der hindurchströmenden Luft und das mit dem Betätigungsarm (52) verbunden ist.
2. Modulationseinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ventil (50) ein Kegelventil (58) aufweist, das in der Einlaßöffnung (36) einstellbar ist.
3. Modulationseinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ventil (50) ein Klappenventil aufweist, das in dem Kanal (38) einstellbar ist.
4. Modulationseinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Turbinenabschnitt (16) mehrere Turbinenschaufeln (20) und eine Kammer (46) aufweist zum Aufnehmen von Kühlluft für eine Verteilung auf die Turbinenschaufeln, der Kanal (38) erste und zweite parallele Strömungskanäle aufweist, der Verteiler (40) erste und zweite Parallelströmungs-Umfangsverteiler aufweist, der Tangentialströmungsbeschleuniger erste und zweite Paralleiströmungs-Umfangstangentialströmungsbeschleuniger aufweist, die in Strönngsverbindung mit der Kammer (46) des Turbinenabschnitts (15) angeordnet sind, und daß die Ventileinrichtung (48) die Luftströmung von nur dem ersten Kanal, dem ersten Verteiler und dem ersten Tangentialströmngsbeschleuniger moduliert bzw. steuert, wobei der zweite Kanal, der zweite Verteiler und der zweite Tangentialströmungsbeschleuniger die Strömung ohne Begrenzung vom Verdichter (12) zum Turbinenabschnitt (16) leiten.
5. Modulationseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mehrere sich über 360° erstreckende Umfangsverteiler, die eine Quelle,für eine Hochdruck-Kühlluftströnung durch Tangentialströmungsbeschleuniger bilden für eine Innenkühlung des Turbinenabschnitts, mehrere Kanäle zum Richten von verdichteter Kühlluft radial nach innen und axial stromabwärts von Einlässen zu den Verteilern, wobei jeder Einlaß axial stromaufwärts von einem Auslaß aus der Quelle für verdichtete Kühlluft angeordnet ist, um einen Eintritt von Schmutz in die Einrichtung zu verhindern, Ventile zum Modulieren bzw. Steuern des Strömungsquerschnitts durch einen oder mehrere der Kanäle, wobei die Kanäle und Verteiler als Kanal- und Verteileranordnungen angeordnet sind derart, daß wenigstens eine Kanal- und Verteileranordnung moduliert bzw. gesteuert werden kann, ohne die Druckdifferenz in wenigstens einer anderen Kanal-und Verteileranordnung zu beeinflussen.
6. Modulationseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mehrere Verteiler, die eine Quelle für Hochdruck-Kühlluft für eine Innenkühlung des Turbinenabschnitts bilden, mehrere Kanäle, die die Hochdruck-Kühlluftströmung zu mehreren Verteilern richten, Ventilmittel zum Modulieren bzw. Steuern der Strömung von verdichteter Kühlluft in gewisse Kanäle, ohne die Luftströmung in einen oder mehrere Verteiler zu beeinflussen derart, daß Mittel zum Modulieren bzw. Steuern der Kühlluftströmung gebildet sind, während eine ausreichende Rückströmungsgrenze aufrechterhalten wird.
7. Modulationseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 für eine Gasturbine, die in ersten und zweiten Betriebsarten arbeiten kann und einen zu kühlenden Rotor und einen Verdichter aufweist zur Lieferung von unter Druck stehender Kühlluft, gekennzeichnet durch einen ersten Tangentialbeschleuniger zum Leiten eines ersten Teils der Kühlluft zum Rotor sowohl während der ersten als auch zweiten Betriebsart, einen zweiten Tangentialbeschleuniger zum Leiten eines zweiten Teils der Kühlluft zum Rotor und Ventilmittel zum selektiven Modulieren bzw. Steuern der Größe des zweiten Teils der Kühlluftströmung durch die zweite Einleiteinrichtung, um eine Strömung durch die zweite Einleiteinrichtung während der ersten Betriebsart zu verhindern und eine im wesentlichen uneingeschränkte Strömung durch die zweite Einleiteinrichtung während der zweiten Betriebsart zu gestatten.
8. Verfahren zum Modulieren bzw. Steuern der Kühlluft für eine Gasturbine, die in ersten und zweiten Betriebsarten arbeiten kann und einen zu kühlenden Rotor und einen Verdichter aufweist, der unter Druck stehende Kühlluft liefert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß ein erster Teil der Kühlluft während sowohl der ersten als auch zweiten Betriebsart zum Rotor geleitet wird und ein zweiter Teil der Kühlluft zum Rotor während der zweiten, aber nicht während der ersten Betriebsart geleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die ersten und zweiten Teile der Kühlluft im wesentlichen tangential zum Rotor geleitet werden.