DE60029886T2

DE60029886T2 - Einrichtung und Methode zur Kühlung von rotierenden Komponenten bei Turbinen

Info

Publication number: DE60029886T2
Application number: DE60029886T
Authority: DE
Inventors: Mark Stewart Hendersonville Schroeder; Jeffrey John Simpsonville Butkiewicz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: EP1074694A2; JP2001065367A; DE60029886D1; US6234746B1; KR20010020924A; EP1074694B1; JP4602518B2; ATE335915T1; EP1074694A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem zur Kühlung von rotierenden Komponenten einer Turbine und insbesondere auf ein Kühlsystem zum Leiten einer Kühlströmung im Wesentlichen in die gleiche Umfangsrichtung wie die zu kühlende rotierende Komponente.
In Turbomaschinen, z.B. einer Kombination aus einer Turbine und einem Kompressor, müssen verschiedene rotierende Elemente der Maschine gekühlt werden. Um dies zu erreichen wird typischerweise Kompressoraustrittsluft von dem Kompressor abgezapft. Die anhaltende Nachfrage nach einer erhöhten Leistungsfähigkeit der Maschinen hat zu steigenden Zufuhrtemperaturen des Kühlmittels und zu einer verringerten Abzapf- oder parasitären Strömung geführt, die für die Kühlung der Komponenten vorgesehen ist. Das heißt, dass sich die Leistungsfähigkeit der Maschine verschlechtert, wenn ein steigender Anteil der Kompressoraustrittsluft zu Kühlzwecken verwendet wird. Ein besonderes Problem tritt beim Kühlen von rotierenden Elementen, z.B. der Flanschverbindung zwischen dem Kompressor- und dem Turbinenrotor auf. Als eine Folge der vermehrten Wärme, die dem Kühlmittel beim Erreichen der Oberflächengeschwindigkeit der rotierenden Komponente zugeführt wird, kommt es zu einer verringerten Kühlwirkung, und der Bedarf an parasitärer Kühlströmung steigt. Demnach besteht sichtbarer Bedarf an einem Turbomaschinenkühlsystem, bei dem die zum Kühlen der rotierenden Komponenten benötigte Arbeit wesentlich verringert wird, was eine verringerte parasitäre Kühlströmung zur Folge hat.
US 4,674,955 offenbart eine Anordnung zur Kühlung von Turbinenlaufschaufeln, in die Kühlluft mit einer überhöhten Luftströmung bzw. einem Overswirl radial nach innen in einen Kanal in dem Turbinenrotor eingeleitet wird.
US 3,565,545 offenbart eine Turbine, in der zum Einleiten von Kühlluft in einer axialen Richtung bezogen auf Öffnungen in dem Turbinenrotor eine Düse vorgesehen ist, wobei die Kühlluft durch die Öffnungen strömt, um eine Kühlung der Turbinenlaufschaufeln zu bewirken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbomaschine geschaffen, die eine Turbine, einen Kompressor, eine um eine Achse und in einem Hohlraum drehbare Komponente, eine feststehende Komponente um die drehbare Komponente und den Hohlraum herum und ein Kühlsystem aufweist, das einen Abzapfluftdurchgang zum Ableiten eines Teils der Kompressoraustrittsluft zum Kühlen der drehbaren Komponente und mehrere diskrete, sich im Wesentlichen axial erstreckende Kanäle in Verbindung mit dem Abzapfluftdurchgang zum Leiten der Abzapfluft in den Hohlraum enthält, wobei das Kühlsystem weiterhin Leitschaufeln in den Kanälen zum Lenken der Richtung der Luftströmung der Abzapfluft, die in den Hohlraum hinein strömt, im Wesentlichen in Umfangsrichtung und in die gewöhnliche Drehrichtung der drehbaren Komponente aufweist, um die drehbare Komponente zu kühlen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird von dem Kompressoraustritt Luft abgezapft und mehreren, sich im Wesentlichen axial erstreckenden Abzapfluftdurchgängen zugeführt. Die Durchgänge können z.B. auf der Kompressorseite der Flanschverbindungen zwi schen dem Turbinen- und dem Kompressorrotor innerhalb der Innentrommel liegen. Die Abzapfluft wird vorzugsweise einer Kammer auf der stromaufwärtigen Seite der Kanäle zugeführt, so dass die Kanäle die abgezapfte Kompressoraustrittsluft in einen stromabwärtigen Hohlraum hinein leiten, der die Rotorflansche umgibt. Die im Wesentlichen in Axialrichtung strömende, abgezapfte Kompressoraustrittsluft in den Kanälen wird im Wesentlichen in eine Umfangsrichtung, d.h. im Wesentlichen tangential zu der Drehrichtung der rotierenden Komponente, z.B. den Rotorflanschen, umgelenkt. Die Luft wird gelenkt, indem an den Ausgängen der Kanäle eine oder mehrere Leitschaufeln angeordnet sind, um Kühlluft in einer im Wesentlichen tangentialen Richtung in der selben Richtung wie die Drehung der rotierenden Komponente in den Hohlraum hinein zu leiten. Indem die Kühlluft tangential mit der Drehung eingeleitet wird, wird von der Turbomaschine nur eine minimale Arbeit geleistet, wenn die Kühlluft tangential zu der rotierenden Komponente umgelenkt wird, wodurch eine niedrigere Kühltemperatur erreicht wird. Die niedrigere Temperatur ergibt sich aus einer geringeren Erwärmung der Kühlluft durch die Luftreibung bei der Annäherung an die tangentiale Oberflächengeschwindigkeit der rotierenden Komponente. Die verringerte Luftreibung schafft auch einen Gewinn an Leistungsfähigkeit und bewirkt eine geringere Übertragung von Arbeit von dem Rotor auf das Kühlmittel.
Zwischen der stationären Komponente, die die rotierende Komponente umgibt, und der rotierenden Komponente wird aus der Abzapfluftkammer heraus durch eine Leckflussdichtung hindurch eine Leckströmung erzeugt. Die Dichtung kann von der Form einer Labyrinthdichtung, einer Bürstendichtung, einer Kombination aus Labyrinth- und Bürstendichtun gen oder von der Form anderer Typen von Dichtungen sein. Die Leckflussdichtung schafft eine Druckdifferenz zwischen der Kammer zur Zufuhr von Abzapfluft und dem Hohlraum, wodurch eine erhöhte Geschwindigkeit der Kühlluft erzielt wird, die von den Leitschaufeln aus im Wesentlichen in der Drehrichtung der rotierenden Komponente in den Hohlraum hinein strömt. Indem eine Leckflussdichtung geschaffen wird, die so wirksam wie möglich ist, wird folglich eine niedrigere Kühlmitteltemperatur mit einer entsprechenden Verringerung der Menge der zu Kühlzwecken notwendigen parasitären Strömung erreicht, die dem Kompressoraustrittströmungspfad entnommen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbomaschine geschaffen, die eine Turbine, einen Kompressor, eine um eine Achse und in einem Hohlraum drehbare Komponente und eine feststehende Komponente um die drehbare Komponente und den Hohlraum herum aufweist, wobei ein Kühlsystem einen Abzapfluftdurchgang zum Ableiten eines Teils der Kompressoraustrittsluft zum Kühlen der drehbaren Komponente, mehrere diskrete, sich im Wesentlichen in Axialrichtung erstreckende Kanäle in Verbindung mit dem Abzapfluftdurchgang zum Leiten der Abzapfluft in den Hohlraum und Leitschaufeln in den Kanälen zum Lenken der in den Hohlraum hinein strömenden Abzapfluft im Wesentlichen in Umfangsrichtung und in die gewöhnliche Drehrichtung der rotierenden Komponente aufweist, um die rotierende Komponente zu kühlen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbomaschine geschaffen, die eine Turbine, einen Kompressor, eine um eine Achse drehbare Komponente und eine feststehende Komponente um die drehbare Komponente herum aufweist, wobei ein Verfahren zum Kühlen der drehbaren Komponente die Schritte enthält: Abzapfen von Kompressoraustrittsluft in einen Durchgang hinein, Leiten von Teilen der Abzapfluft in mehrere, sich im Wesentlichen axial erstreckende Kanäle in Verbindung mit dem von der Kompressoraustrittsluft abgezapften Luftanteil, und Lenken der in den Kanälen strömenden Abzapfluftanteile im Wesentlichen in Umfangsrichtung zum Austritt auf die drehbare Komponente und im Wesentlichen in dieselbe Richtung wie der Drehung der rotierenden Komponente, um die rotierende Komponente zu kühlen.
Die Erfindung wird nun im Wege eines Beispiels unter Bezug auf die Zeichnungen genauer beschrieben:
1 zeigt eine bruchstückhafte Querschnittsansicht einer Turbomaschine und stellt ein Kühlsystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar,
2 zeigt eine vergrößerte bruchstückhafte Querschnittsansicht, die eine Düse für die Kühlluft darstellt,
3 zeigt eine Querschnittsansicht derselben, die im Wesentlichen entlang der Linie 3-3 in 2 aufgenommen ist, und
4 zeigt eine bruchstückhafte Querschnittsansicht, die im Wesentlichen entlang der Linie 4-4 in 1 aufgenommen ist.
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, insbesondere auf 1: Es ist eine allgemein mit 10 bezeichnete Turboma schine dargestellt, die ein Kühlsystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält. Die Turbomaschine 10 enthält einen Kompressorbereich 12 und einen Turbinenbereich 14. Der Kompressorbereich 12 weist eine äußere feststehende oder stationäre Komponente 16 und einen Rotor 18 auf, der mit Kompressorrädern 20 verbunden ist, die Kompressorlaufschaufeln tragen. Es wird erkannt, dass entlang eines ringförmigen Strömungspfades, der durch den Pfeil 22 gekennzeichnet ist, Luft verdichtet wird und in den Turbinenbereich 14 strömt.
Der Turbinenbereich 14 weist eine feststehende oder stationäre Komponente 24 und mehrere Turbinenstufen auf, von denen jede eine Statorschaufel 26 und eine Turbinenlaufschaufel 28 aufweist, die auf einem einen Teil des Turbinenrotors 32 bildenden Turbinenrad 30 drehbar ist. Die aneinander angrenzenden Enden des Kompressorrotors 18 und des Turbinenrotors 32 weisen jeweils einen Flansch 34 bzw. 36 auf, die mit einem Falz versehen und durch nicht gezeigte Schrauben miteinander verschraubt sind und eine rotierende Komponente innerhalb eines Hohlraums 38 bilden, der von einer feststehenden Komponente, z.B. einer Innentrommel 39 umgeben ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlsystem zum Zumessen einer gewünschten Bypassströmung, die mit einer Dichtungsleckströmung gemischt wird, geschaffen, um die Flanschverbindung der Rotoren zu kühlen, wobei die Strömung aus der axialen Richtung wirksam in die erwünschte Umfangsrichtung umgelenkt wird, um die Temperatur der Kühlluft zur Rotorkühlung zu senken, und die Strömung an einen optimalen Ort innerhalb des Flanschhohlraums 38 geleitet wird, um sich mit der Dichtungsleckströmung zu mischen und den Flansch zu kühlen bzw. zu klimatisieren. Insbesondere wird der Kompressoraustrittsluft, die durch einen ringförmigen Kanal 22 strömt, Abzapfluft zum Leiten in eine ringförmige Kammer 40 in dem Kompressorrotor 18 entnommen. Es können ein oder mehrere Abzapfluftdurchgänge 42 vorgesehen sein, um der Kammer 40 Abzapfluft zuzuführen. An in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Stellen um den Kompressorrotor 18 herum sind mehrere diskrete, sich im Wesentlichen axial erstreckende Kanäle 44 vorhanden, um Kompressorabzapfluft aus der Kammer 40 in den Hohlraum 38 zu leiten. Zusätzlich ist ein ringförmiger Leckflusspfad 46 zwischen der stationären Komponente und dem Kompressorrotor mit einer Leckflussdichtung 48 versehen. Die Leckflussdichtung kann z.B. mehrere Labyrinthdichtungen oder Bürstendichtungen oder eine Kombination aus Labyrinth- und Bürstendichtungen oder andere Typen von Dichtungen enthalten. Es genügt zu sagen, dass der ringförmige Leckflusspfad 46 mit der Leckflussdichtung 48 zwischen der Kammer 40 und dem Hohlraum 38 einen Druckabfall erzeugt.
Jedes der Austrittsenden der Kanäle 44 enthält eine oder mehrere Leitschaufeln, die eine Dralleinrichtung 50 aufweisen. Wie in den 2 und 3 dargestellt enthält die Einrichtung 50 mehrere durch Leitschaufeln 54 gebildete interne Strömungspfade 52, um die in dem Kanal 44 strömende Abzapfluft in die tangentiale oder Umfangsrichtung der Drehung der Flansche in dem Hohlraum 38 umzulenken. Das bedeutet, dass die durch jeden der Kanäle 44 strömende Abzapfluft in eine im Wesentlichen tangentiale Richtung in der Drehrichtung der Flansche 34 und 36 gelenkt wird, wodurch die aus der Dralleinrichtung 50 strömende Abzapfluft mit einer Geschwindigkeit austritt, die sich der Tangentialge schwindigkeit der Flansche 34 und 36 annähert. Zwischen den im Wesentlichen geradlinigen Schlitzen 58, die Auslässe für die abgezapfte Austrittsluft bilden, die entlang des Strömungspfads 52 umgelenkt wird, ist eine zentrale Rippe 56 angeordnet. Die Richtung der austretenden Luft ist durch die Pfeile 60 in 4 gekennzeichnet, und die Drehrichtung des Kompressorrotors 18 ist durch den Pfeil 62 gekennzeichnet. Demnach wird erkannt, dass die abgezapfte Kompressoraustrittsluft aus den Dralleinrichtungen mit einer wesentlich niedrigeren Temperatur austritt, als es ansonsten der Fall wäre, wenn die Luft direkt in axialer Richtung in den Hohlraum 38 strömen würde. Darüber hinaus nimmt die Kompressoraustrittsluft keine weitere Wärme infolge von Luftreibung auf, und dadurch ist weniger parasitäre oder Abzapfluft zu Kühlzwecken erforderlich.
Die zuvor beschriebene Konstruktion hat weitere Vorteile. Die Dralleinrichtung 50 kann z.B. eingestellt werden, d.h. die Leitschaufeln können unter bestimmten Winkeln ausgerichtet werden und auf bestimmte festgelegte Stellen zielen. Weil die Dralleinrichtungen an ihrem Platz verschraubt oder verschweißt werden können, können die Dralleinrichtungen leicht verändert werden, wenn Feineinstellungen in dem Kühlsystem erforderlich sind. Es wird auch erkannt, dass die Leckströmung an der Leckflussdichtung 48 vorbei zwischen dem Hohlraum 38 und der Kammer 40 einen Druckabfall erzeugt. Der Druckabfall kann durch eine Begrenzung der Leckströmung erhöht werden, wodurch sich die Geschwindigkeit der dem Hohlraum 38 zugeführten Kühlluft erhöht. Eine erhöhte Geschwindigkeit führt selbstverständlich zu einer Kühllufttemperatur, die niedriger ist, als es ansonsten der Fall wäre, bei einer verbesserten Leistungsfähigkeit der Turbomaschine.

Claims

Turbomaschine, die aufweist: eine Turbine (14), einen Kompressor (12), eine Komponente (34, 36), die um eine Achse und in einem Hohlraum (38) drehbar ist, eine feststehende Komponente (39) um die drehbare Komponente und den Hohlraum herum und ein Kühlsystem, das aufweist: einen Abzapfluftdurchgang (42) zum Ableiten eines Teils der Kompressoraustrittsluft zum Kühlen der drehbaren Komponente, eine Mehrzahl von diskreten, sich im Wesentlichen axial erstreckenden Kanälen (44) in Verbindung mit dem Abzapfluftdurchgang zum Leiten der Abzapfluft in den Hohlraum, wobei das Kühlsystem weiterhin aufweist: Leitschaufeln (54) in den Kanälen zum Lenken der Richtung des Luftstroms der Abzapfluft, die in den Hohlraum hinein strömt, im Wesentlichen in Umfangsrichtung in die gewöhnliche Drehrichtung der drehbaren Komponente, um die drehbare Komponente zu kühlen.
Turbomaschine nach Anspruch 1, bei der das Kühlsystem einen Leckflusspfad (46) zwischen dem Durchgang und dem Hohlraum aufweist, wobei eine Leckflussdichtung (48) zwischen der feststehenden Komponente und der drehbaren Komponente in dem Leckflusspfad einen Druckabfall zwischen dem Durchgang und dem Hohlraum hervorruft, um die Umfangsrichtungsgeschwindigkeit der aus den Leitschaufeln in den Hohlraum hinein austretenden Luft zu erhöhen.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die drehbare Komponente einen Turbinenrotor und einen Kompressorrotor aufweist, wobei Flansche (34, 36) des Turbinenrotors und des Kompressorrotors miteinander verbunden und in dem Hohlraum angeordnet sind, wobei die Leitschaufeln die Abzapfluft auf die Flansche und in die Richtung der Drehung derselben lenken.
Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Durchgang mit einer Kammer (40) in Verbindung steht, wobei die Kanäle in Verbindung mit der Kammer angeordnet sind, um Abzapfluft aus der Kammer durch die Leitschaufeln zu leiten.
Turbomaschine nach Anspruch 1, bei der das Kühlsystem einen Leckflusspfad (46) zwischen dem Durchgang und dem Hohlraum aufweist, wobei eine Leckflussdichtung (48) zwischen der feststehenden Komponente und der drehbaren Komponente in dem Leckflusspfad einen Druckabfall zwischen dem Durchgang und dem Hohlraum hervorruft, um die Umfangsrichtungsgeschwindigkeit der aus den Leitschaufeln in den Hohlraum hinein austretenden Luft zu erhöhen, wobei die drehbare Komponente einen Turbinenrotor und einen Kompressorrotor aufweist, wobei Flansche (34, 36) des Turbinenrotors und des Kompressorrotors miteinander verbunden und in dem Hohlraum angeordnet sind, wobei die Leitschaufeln die Abzapfluft auf die Flansche und in die Richtung der Drehung derselben lenken.
Turbomaschine nach Anspruch 5, bei der der Durchgang (42) mit einer Kammer (40) in Verbindung steht, wobei die Kanäle in Verbindung mit der Kammer angeordnet sind, um Abzapfluft aus der Kammer durch die Leitschaufeln zu leiten, wobei die Kanäle um die Achse herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind.
Turbomaschine nach Anspruch 1, bei der die drehbare Komponente einen Turbinenrotor und einen Kompressorrotor aufweist, wobei Flansche (34, 36) des Turbinenrotors und des Kompressorrotors miteinander verbunden und in dem Hohlraum angeordnet sind, wobei die Leitschaufeln (54) die Abzapfluft auf die Flansche und in die Richtung der Drehung derselben lenken, wobei die Kanäle um die Achse herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Leitschaufeln an den Ausgängen der Kanäle in dem Hohlraum angeordnet sind.