DE4338745A1

DE4338745A1 - Vorrichtung zur Wärmeabschirmung des Rotors in Gasturbinen

Info

Publication number: DE4338745A1
Application number: DE19934338745
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Krautzig
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2013-11-13
Also published as: DE4338745B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeabschirmung des Rotors in Gasturbinen, welche besonders für Bereiche mit geometrisch glatter Oberfläche, beispielsweise für den Gas turbinentrommelbereich, geeignet ist.

Stand der Technik

Der Trend zur Erhöhung der Effektivität und des Wirkungsgra des von Gasturbinen führt u. a. zu immer höheren Verdichter- Druckverhältnissen. Schon bei den jetzt üblichen Verdichter- Druckverhältnissen und den daraus resultierenden Temperaturen und Wärmeübergangszahlen werden das Verdichterende und die Trommel bei Start und Stop der Anlage transient sehr stark beansprucht.

Bekannt ist die Wärmeabschirmung im Bereich der Turbine in Form von Wärmestausegmenten, welche zusätzlich durch Kühlluft unterspült sein können. Die radiale Anbindung der Abschirmung an den Rotor wie bei den Wärmestausegmenten belastet diesen aber nicht nur mit deren Fliehkraft, sondern diese Lösung ist auch sehr aufwendig. Aufgrund der Dehnungsdifferenzen ist nämlich eine feine Segmentierung notwendig, so daß viele Teile hergestellt werden müssen und eine zusätzliche Bearbei tung erforderlich ist.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbine eine einfa che Vorrichtung zur Wärmeabschirmung des Rotors zu entwickeln, welche insbesondere für Bereiche mit geometrisch glat ter Oberfläche geeignet ist und weitere Druck- und Tempera tursteigerungen ohne Einbuße der Wartungs- und Inspektions freiheit des Rotors ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß über dem Rotor eine in Umfangsrichtung durchgehende Verkleidung ange ordnet ist, welche in Zentriereinrichtungen gegenüber dem Rotor elastisch und wärmebeweglich zentriert ist, wobei die Verbindung zum Rotor durch mindestens zwei ebenfalls in Um fangsrichtung geschlossene Verbindungsglieder erfolgt und das eine Ende des Verbindungsgliedes mit dem Rotor und das andere Ende des Verbindungsgliedes mit der Verkleidung verbunden ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß der Rotor vor der direkten Berührung mit dem Medium ho her Strömungsgeschwindigkeit und vor hohen Temperaturen abge schirmt wird und damit gegebenenfalls eine eigentliche Wärme isolation erzielt werden kann, so daß eine Erhöhung von Druck und Temperatur des Gases ohne Schädigung des Rotors ermöglicht wird.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Verbindungsglieder zylindrische bis leicht konische Ringe sind und diese in Ab hängigkeit von den Biege- und Umstülpspannungen so kurz wie möglich ausgebildet sind, weil sich dann ein linearer Tempe raturverlauf in Längsrichtung zwischen den unterschiedlichen Temperaturen von Rotor und Verkleidung einstellt und dadurch nur geringe Thermospannungen auftreten.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn daß in der Verkleidung ge zielt Leckagen angeordnet sind, weil dadurch ebenfalls die transiente Temperaturverteilung der Verbindungsglieder linea risiert werden kann.

Schließlich werden mit Vorteil die Verbindungsglieder ge lenkig an der Verkleidung angeordnet, da dadurch das Auftre ten von Biege- und Umstülpspannungen vermieden wird.

Außerdem ist es aus Montagegründen vorteilhaft,wenn die Ver kleidung aus mindestens zwei Teilen bestehen, welche hoch fest, beispielsweise durch Verschweißen, Verklammern oder mehrschnittige Schraub- bzw. Nietverbindungen miteinander verbunden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand einer einwelligen axialdurchströmten Gasturbine dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Gasturbine mit Verdich ter, Trommel und Turbine;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt der erfindungsgemäßen Vor richtung mit einer festen Verbindung von Rotor und Verkleidung;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt der erfindungsgemäßen Vor richtung mit einer gelenkigen Verbindung von Rotor und Verkleidung;

Fig. 4 einen Querschnitt der durch Verschweißen entstan denen Verbindungsstellen der Einzelteile der Ver kleidung;

Fig. 5 einen Querschnitt der durch Verklammern entstande nen Verbindungsstellen der Einzelteile der Ver kleidung;

Fig. 6 einen Querschnitt der durch mehrschnittige Schraub- bzw. Nietverbindungen entstandenen Verbindungsstel len der Einzelteile der Verkleidung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 6 näher erläutert.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Gasturbine ist zwischen Ver dichter 5 und Turbine 6 im Bereich der Trommel 4 eine in Um fangsrichtung durchgehende Verkleidung 2 um den Rotor 1 ange ordnet. Sie besteht aus Blech und ist mit dem Rotor 1 über ebenfalls in Umfangsrichtung geschlossenen Verbindungsglieder 3 in Form von zylindrischen Ringen verbunden. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Verkleidung 2 gegenüber dem Rotor 1 in Zentriereinrichtungen 9 elastisch und wärmebeweglich relativ genau zentriert. Je nach Material und Randbedingungen kann die Verkleidung 2 während des Betriebes der Gasturbine ihre eigene Fliehkraft selbst tragen. Im Falle zu großer Umfangs belastung wird ein Teil der Fliehkraft über die elastische Verbindung in den Rotor 1 geleitet.

Unter der Voraussetzung eines nur geringen Wärmeaustausches mit der Umgebung stellt sich infolge der Verbindung des einen Endes der Verbindungsgliedes 3 mit dem Rotor 1 und des ande ren Endes des Verbindungsgliedes 3 mit der Verkleidung 2 sta tionär ein linearer Temperaturverlauf in Längsrichtung zwi schen den unterschiedlichen Temperaturen des Rotors T_R und T_V ein. Dieser Temperaturverlauf ist schematisch in Fig. 2 mit dargestellt. Aus diesem Grunde treten auch kaum Thermospan nungen auf.

Damit keine zu grossen Abweichungen vom idealen linearen Tem peraturverlauf auftreten, werden die Verbindungsglieder 3 so kurz wie mit Rücksicht auf Biege- und Umstülpspannungen nur möglich gestaltet.

Infolge der Abschirmung des Rotors 1 vor der direkten Berüh rung mit dem Medium hoher Strömungsgeschwindigkeit und damit vor zu hohen Temperaturen durch die erfindungsgemäße Anord nung der Verkleidung 2 ist genügend Potential für weitere Druck- und Temperatursteigerungen der Gasturbinenanlage vor handen. Weitere Effektivitätssteigerungen sind möglich, wenn die Verkleidung 2 mit einer zusätzlichen Kühlung versehen wird.

In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine transiente li neare Temperaturverteilung der Verbindungsglieder 3 auch durch gezielte Leckagen in der Verkleidung 2 erreicht werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Es ist hier eine gelenkige Verbindung des Verbindungsgliedes 3 mit der Verkleidung 2 abgebildet. Auf diese Weise können Biege- und Umstülpspannungen vermieden werden, allerdings wird die er wünschte gute Wärmeleitung zwischen den zu verbindenden Tei len beeinträchtigt.

Zur Montage, besonders im Trommelbereich, ist die Verkleidung 2 aus mindestens zwei Teilen 2a, 2b (Halbschalen) zusammenge setzt. Zur Sicherstellung der Selbsttragfähigkeit auch bei hohen Fliehkraftbelastungen sind deshalb die Teile der Ver kleidung 2a, 2b miteinander verbunden. Verschiedene Ausfüh rungsvarianten sind in den Fig. 4 bis 6 dargestellt. Die Tei le der Verkleidung 2a, 2b können gemäß diesen Figuren unter schiedliche Formen aufweisen und durch Verschweißen (Fig. 4), mittels Klammern 7 und Schrauben bzw. Nieten 8 (Fig. 5) oder durch mehrschnittige Schraub- bzw. Nietverbindungen (Fig. 6) verbunden sein.

Bezugszeichenliste

1 Rotor
2 Verkleidung
2a,b Teile der Verkleidung
3 Verbindungsglied
4 Trommel
5 Verdichter
6 Turbine
7 Klammer
8 Schraube, Niet
9 Zentriereinrichtung

Claims

1. Vorrichtung zur Wärmeabschirmung des Rotors (1) in Gas turbinen in Bereichen mit geometrisch glatter Oberflä che, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Rotor (1) eine in Umfangsrichtung durchgehende Verkleidung (2) angeordnet ist, welche in Zentriereinrichtungen (9) gegenüber dem Rotor (1) elastisch und wärmebeweglich zentriert ist, wobei die Verbindung zum Rotor (1) durch mindestens zwei ebenfalls in Umfangsrichtung geschlosse ne Verbindungsglieder (3) erfolgt und das eine Ende des Verbindungsgliedes (3) mit dem Rotor (1) und das andere Ende des Verbindungsgliedes (3) mit der Verkleidung (2) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder (3) in Abhängigkeit von den Biege- und Umstülpspannungen so kurz wie möglich ausge bildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verkleidung (2) gezielt Leckagen (4) ange ordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder (3) gelenkig an der Verkleidung (2) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder (3) zylind rische bis leicht konische Ringe sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (2) aus mindestens zwei Teilen (2a, 2b) besteht, welche hochfest miteinan der verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Verkleidung (2) verbindbar sind durch Verschweißen, Verklammern oder mehrschnittige Schraub- bzw. Nietverbindungen.