-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein System zum Zuführen von Kühlluft zu einer Gasturbine.
-
Bekanntlich
sind Gasturbinen Maschinen, die aus einem Verdichter und einer Turbine
mit einer oder mehreren Stufen bestehen, wobei diese Komponenten
durch eine Drehwelle miteinander verbunden sind, und wobei eine
Brennkammer zwischen dem Verdichter und der Turbine vorgesehen ist.
-
Luft,
die aus der äußeren Umgebung
erhalten wird, wird dem Verdichter zugeführt, um sie zu verdichten.
-
Innerhalb
der Brennkammer wird der Brennstoff zugeführt, der durch entsprechende
Zündkerzen gezündet wird,
um die Verbrennung zu erzeugen, die so ausgestaltet ist, dass eine
Steigerung in der Temperatur und dem Druck und somit der Enthalpie
des Gases verursacht wird.
-
Anschließend erreicht
das eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisende Gas über entsprechende
Leitungen die verschiedenen Stufen der Turbine, die die Enthalpie
des Gases in mechanische Energie wandelt, die für einen Benutzer zur Verfügung steht.
-
Tatsächlich sind
auf dem technologischen Gebiet von Gasturbinen viele Bemühungen gemacht worden,
um den thermodynamischen Wirkungsgrad des Systems zu verbessern,
beispielsweise indem die Gasturbinen dazu gebracht werden, bei immer höheren Temperaturen
zu arbeiten.
-
In
diesem Zusammenhang sind, damit die Turbinen bei diesen höheren Temperaturen
der Gase arbeiten können,
die auch höher
sein können
als diejenigen, die die internen Materialien der Maschine normalerweise
tolerieren können,
viele Bemühungen gemacht
worden, um effiziente Methoden zum Kühlen der internen Materialien
der Gasturbinen zu entwickeln.
-
Insbesondere
ist bekannt, dass es Komponenten der Gasturbine in der heißen Gasströmungsbahn
gibt, wie beispielsweise die Turbinendüsen und Laufschaufeln, die
sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind und signifikante Mengen
an Kühlluft
benötigen.
-
Es
auch bekannt, dass der hohle Rotor der Turbine häufig verwendet wird, um die
Luftströmungsrate
zu liefern, die zum Kühlen
der Schaufeln erforderlich ist.
-
Die
Luft, die von der Verdichterzufuhr erhalten wird, wird radial in
den Rotor eingeleitet.
-
Die
Luft strömt
dann zentrifugal um den Rotorkreis herum, um anschließend im
Inneren des Kreises aufzusteigen, bis die Schaufeln erreicht sind.
-
Die
Schwierigkeit bei der Ausgestaltung dieser Systeme ist auf den Bereich
der Grenzfläche
zwischen der umlaufenden Welle und der Statorstruktur, die die Luft
zuführt,
und auf den Abschnitt des Rotorkreises konzentriert, der eine zentripetale
Bewegung der Kühlluft
beinhaltet.
-
Die
Hauptprobleme dieses Systems sind unterschiedlich und umfassen erstens
eine Erwärmung durch
Reibung von der Luft, die aus der Verdichterzufuhr erhalten wird.
-
Ein
zweites Problem des Standes der Technik wird insbesondere durch
den Druckverlust aufgrund der Zufuhr der Luft von dem Statorsystem
zum Rotorsystem verursacht.
-
Ein
drittes Problem beziehen sich auf die Leckagen von Luft, die die
Leistungsverluste vergrößern, und
die Leckagen von Luft, die die Kühlströmung zu
den Schaufeln verunreinigen.
-
Schließlich werden
unerwünschte
akustische Effekte erzeugt (die auch als Wirbelpfeife bekannt sind),
die durch die Luft in einer Wirbelbewegung innerhalb des Rotors
verursacht werden.
-
In
Bezug auf den Stand der Technik ist erkennbar, dass die ersten und
zweiten Probleme durch die Verwendung von einem radialen Statorverteiler
(Beschleuniger) gelöst
werden, der unter Verwendung der in der Verdichterversorgungsluft
enthaltenen Energie die Luft beschleunigt, um sie an die Umfangsgeschwindigkeit
des Rotorbereiches anzupassen, die für die Einführung vorgewählt ist.
-
Diese
Expansion verursacht eine Senkung in der Gesamttemperatur relativ
zum Rotor und gestattet somit auch eine Verringerung der Strömungsrate, die
erforderlich ist, um die Schaufeln zu kühlen, womit offensichtliche
Vorteile für
den Wirkungsgrad im thermodynamischen Zyklus verbunden sind.
-
Zusätzlich minimiert
die Anpassung der Umfangsgeschwindigkeit der Luft an diejenige des
Rotors die gesamten Druckverluste, die durch Zuführen der Kühlströmung innerhalb des Rotors verursacht werden
(eine Lösung
für dieses
Problem ist in dem US-Patent 4,541,774 beschrieben).
-
Somit
wird ein Umfangskanal um den Bereich des Rotors herum erzeugt, in
dem die radialen Zugangslöcher
für die
Kühlluft
vorgesehen sind, wobei dieser Bereich auf einem niedrigeren Temperatur- und
Druckwert ist als diejenigen der Verdichterzufuhr.
-
Ein
System mit einer Doppeldichtung ist vorgesehen, um die Aufnahme
von Luft aus der Verdichterversorgung in diesen Umfangsversorgungskanal hinein
zu verhindern.
-
Tatsächlich dienen
die zwei Dichtungen dem Zweck, eine weitere Niederdruckkammer zu
erzeugen, die mit dem vorderen Rotorraum von der ersten Stufe des
Turbinenrotors des Gasgenerators kommuniziert, d. h. stromabwärts von
den Düsen
der ersten Stufe des Gasgenerators.
-
Durch
dieses Mittel wird der Rotorraum auch durch die Luft gereinigt,
die aus den zwei Dichtungen leckt.
-
Eine
dritte Dichtung trennt den Kanal von einem einen tieferen Druck
aufweisenden Bereich, d. h. denjenigen, der sich um das Kissen #2
herum erstreckt, oder denjenigen, der sich stromabwärts von den
Düsen der
ersten Stufe des Gasgenerators befindet, und muss Leckagen begrenzen,
die das Leistungsvermögen
beeinträchtigen.
-
Das
Dichtungssystem verwendet eine gemischte Konfiguration von Labyrinth-Dichtungen,
die mit Bürstendichtungen
kombiniert sind, die den Wirkungsgrad beim Steuern der Leckagen
vergrößern.
-
Schließlich haben
in dem Rotor vorgesehenen radialen Löcher die Aufgabe, der zentripetalen Bewegung
der Luft eine erzwungene Wirbelbewegung aufzudrücken, und die sich so weit
erstreckt wie ein entsprechender geeigneter Radius, um die Bildung
der Wirbelpfeife innerhalb der Rotorkammern zu verhindern (Radialer
Lochentwirbler).
-
Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System bereitzustellen,
um Kühlluft
zu einer Gasturbine zuzuführen,
das so arbeitet, dass die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt werden.
-
Eine
andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System zum Zuführen von
Kühlluft
zu einer Gasturbine bereitzustellen, das eine Erwärmung durch
Reibung der Luft verhindern kann, die aus der Verdichterzufuhr erhalten
wird.
-
Eine
andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System bereitzustellen,
um Kühlluft
in einer Turbine zuzuführen,
das Druckverluste verhindert, die durch Zuführen der Luft aus dem Statorsystem zum
Rotorsystem verursacht werden.
-
Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System zum Zuführen von
Kühlluft
zu einer Gasturbine bereitzustellen, das es möglich macht, soweit wie möglich Luftleckagen,
die die Leistungsverluste erhöhen,
und die Luftleckagen zu verringern, die die Kühlströmung zu den Schaufeln verunreinigen.
-
Eine
zusätzliche
Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Systems
zum Zuführen
von Kühlluft
zu einer Gasturbine, das verhindern kann, dass die Luft, die sich
innerhalb des Rotors in Bewegung befindet, unerwünschte akustische Effekte erzeugt.
-
Diese
und andere Aufgaben gemäß der Erfindung
werden durch ein System zum Zuführen
von Kühlluft
zu einer Gasturbine erzielt, das die Merkmale des Patentanspruches
1 enthält.
-
Genauer
gesagt, trennt eine Serie von Labyrinth-Dichtungen, kombiniert mit Bürstendichtungen, die
Kammer zum Zuführen
der Luft zu den radialen Löchern
von der Niederdruckumgebung um das Kissen #2 von der Gasturbine.
-
Nachdem
die Kühlluft
auf die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors beschleunigt worden ist, tritt
sie zusätzlich
in die radialen Löcher
mit minimalen gesamten Druckverlusten und bei einer verminderten
relativen Gesamttemperatur ein.
-
Weitere
Charakteristiken der Erfindung sind in den anderen Ansprüchen definiert,
die der vorliegenden Anmeldung beigefügt sind.
-
Die
Charakteristiken und Vorteile des Systems zum Zuführen von
Kühlluft
zu einer Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung von einem
typischen Ausführungsbeispiel,
die durch ein nicht-einschränkendes
Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen
gegeben wird, in denen:
-
1 eine
schematische Ansicht im Querschnitt von dem System zum Zuführen von
Kühlluft zu
einer Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
-
2 im
Querschnitt ein Detail von dem Einlassbereich von Luft in den Rotor
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf die vorgenannten Figuren wird nun eine
Beschreibung von der Struktur und der Funktion von dem System gemäß der Erfindung
angegeben, das insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnet
ist.
-
Die
Kühlluft
wird von einer Hochdruckquelle innerhalb des Turbinentriebwerks
erhalten.
-
In
dem fraglichen Fall wird die Kühlluft
von der inneren Oberfläche
des Austritts-Diffusors 11 von dem Axialverdichter der
Gasturbine erhalten.
-
Von
dort wird die Kühlluft
zu radialen Beschleunigern 12 gefördert, die die tangentiale
Beschleunigung der Luft in der gleichen Richtung wie die Umfangsbewegung
der gegenüberliegenden
Rotorfläche
verursachen.
-
Nachdem
die Luft auf die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors beschleunigt
worden ist, tritt sie in die radialen Löcher 13 mit minimalen
Gesamtdruckverlusten und bei einer gesenkten relativen Gesamttemperatur
ein.
-
Während sie
in radialer Richtung durch die radialen Löcher 13 strömt, wird
die Größe der tangentialen
Bewegung der Kühlluft
verringert durch das Gesetz des erzwungenen Wirbels (anders bekannt als
Radialer Lochentwirbler).
-
Die
Kühlluft
wird in dem hohlen Rotor mit einem entsprechend verringerten Auslassradius 14 freigesetzt,
um die Möglichkeit
der Ausbildung des vorgenannten Phänomens des Wirbelpfeifens zu
verhindern, das mit der hohen tangentialen Auslass-Mach-Zahl verbunden
ist.
-
Die
Labyrinth-Dichtung, kombiniert mit einer Bürstendichtung 16,
trennt die Kammer zum Zuführen
der Luft zu den radialen Löchern
von dem Niederdruckbereich um das Kissen #2 herum, der mit der Bezugszahl 15 bezeichnet
ist.
-
Diese
Leckage wird minimiert durch Verwendung einer Labyrinth-Seriendichtung,
kombiniert mit einer Bürstendichtung,
wobei sich die Bürstendichtung
stromabwärts
von der Labyrinth-Dichtung
befindet, um den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu verbessern.
-
Eine
Labyrinth-Dichtung, kombiniert mit einer Bürstendichtung 17,
trennt die Kammer zur Zufuhr von Luft zu den radialen Löchern 13 von
der Kammer, die mit dem ersten Rotorraum 20 kommuniziert,
durch entsprechende Kanäle 18 und
Kalibratiosöffnungen 19.
-
Die
Leckströmungsrate
wird durch Verwendung einer Labyrinth-Seriendichtung, kombiniert
mit einer Bürstendichtung,
gesteuert, wobei die Bürstendichtung
stromabwärts
von der Labyrinth-Dichtung ist, um den Wirkungsgrad des Systems
zu verbessern.
-
Diese
Leckage bildet einen Teil der Reinigungsströmungsrate für den ersten Rotorraum 20.
-
Die
Labyrinth-Dichtung, kombiniert mit einer Bürstendichtung 21,
trennt die Versorgung des Verdichters von der Kammer 22,
die mit dem ersten Rotorraum kommuniziert, durch entsprechende Kanäle 18 und
Kalibrationsöffnungen 19.
-
Die
gegebene Beschreibung verdeutlicht die Charakteristiken und Vorteile
des erfindungsgemäßen Systems
zum Zuführen
von Kühlluft
zu einer Gasturbine.
-
Die
folgenden abschließenden
Punkte und Anmerkungen werden nun gemacht, um die Vorteile deutlicher
und genauer zu definieren.
-
Erstens
ist das System gemäß der Erfindung ein
duales Dichtungssystem mit einer Zwischenkammer, das ein Mischen
der Leckströmungsrate
aus dem Axialverdichter mit der Kühlströmungsrate der Beschleuniger
verhindert (Vorteile zum Kühlen
der Schaufeln) und den Wiedereintritt in den Kanal von den Leckagen aus
der Verdichterversorgung und aus dem Beschleunigersystem gestattet,
ein Fakt, der für beträchtliche
Vorteile in dem Wirkungsgrad des thermodynamischen Zyklus sorgt.
-
Zusätzlich enthält es ein
einfaches Entwirbelungssystem, das durch radiale Löcher in
der Verdichterwelle erhalten wird, und somit das Erfordernisse für kostspielige
Bearbeitungsvorgänge
und komplizierte Designlösungen
zur Erzeugung eines profilierten Entwirblers eliminiert.
-
Schließlich ist
das System ein Dichtungssystem mit Labyrinth-Dichtungen und Bürstendichtungen,
das einen hohen Grad an Rückhaltung
der Leckströmungsrate
gestattet, ein Fakt, der für
beträchtliche
Vorteile für
den thermodynamischen Zyklus sorgt.
-
Die
theoretischen und experimentellen Ergebnisse sind so zufriedenstellend
gewesen, dass das System für
neue Gasturbinen verwendet werden kann.
-
Schließlich wird
deutlich, das viele Abwandlungen an dem erfindungsgemäßen System
zum Zuführen
von Kühlluft
zu einer Gasturbine gemacht werden können, ohne von den Prinzipien
der dem erfinderischen Konzept innewohnenden Neuheit abzuweichen.
-
Es
wird auch deutlich, dass in dem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung
alle Materialien, Abmessungen und Farmen gemäß den Anforderungen verwendet
und durch andere ersetzt werden können, die technisch äquivalent
sind.
-
Der
Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.