DE60132864T2

DE60132864T2 - Scheidungswand für den Zwischenstufenraum einer Gasturbine

Info

Publication number: DE60132864T2
Application number: DE60132864T
Authority: DE
Inventors: Joseph Theodore Winter Springs Tapley; John Y. Winter Springs Xia; Zhenhua Winter Springs Xiao
Original assignee: Siemens Power Generations Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2021-09-29
Also published as: DE60132864D1; EP1193371B1; EP1193371A2; JP4750987B2; US6558114B1; JP2002115501A; EP1193371A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Gasturbinen, in denen Kühlluft in die Zwischenstufenräume mit den Stator-/Rotorwellendichtungen geführt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung, die den Eintritt des heißen Hauptgasstroms in die Zwischenstufenräume auf Bereiche beschränkt, die hohen Temperaturen standzuhalten vermögen, wodurch sich die Anforderungen an die Kühlluft zur Bereitstellung eines erhöhten Turbinenwirkungsgrads reduzieren.
Hintergrundinformationen
Gasturbinen, wie sie zum Antreiben von elektrischen Generatoren verwendet werden, sind mit einer Anzahl von Rotorscheiben versehen, die axial entlang einer Rotorwelle zur Bildung von Zwischenstufenräumen beabstandet sind. Die Statorstufen erstrecken sich radial nach innen gerichtet von dem Turbinengehäuse in die Zwischenstufenräume. Jede Statorstufe umfasst eine Reihe von fest mit dem Turbinengehäuse verbundenen Statorschaufeln und eine Dichtungsbaugruppe, die gegen die Rotorwelle abdichtet, um zu verhindern, dass der Hauptgasstrom an den Schaufeln vorbeitritt.
Die Statorabschnitte der Turbine bilden mit den vorgelagerten Rotorscheiben ringförmige Nebenräume in den Zwischenstufenräumen. Aus dem Turbinenverdichter geblasene Kühlluft wird von der Statorwelle in die Zwischenstufenräume eingeleitet, um die Dichtungsbaugruppen zu kühlen und zu dichten. Die Kühlluft strömt radial durch die Zwischenstufenräume, einschließlich der Nebenräume, und tritt durch eine Ringdichtung nach außen in den Hauptgasstrom.
Trotz der Bereitstellung der Ringdichtung und eines angrenzenden Ringdichtungsraums am Ausgang des Nebenraums tritt ein Teil des Hauptgasstroms in die Nebenräume. Durch die rotierenden Teile induzierte Druckschwankungen bewirken eine Umwälzung in den Nebenräumen, wodurch der sehr heiße Hauptgasstrom hin zu den Stator-/Rotordichtungen gezogen wird. Um diese Dichtungen vor dem Eintritt aus dem heißen Hauptgasstrom zu schützen, muss eine ausreichende Menge an Kühlgas bereitgestellt werden. Dadurch reduziert sich der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine.
Es besteht daher Bedarf nach einer verbesserten Gasturbine mit erhöhtem Wirkungsgrad.
Insbesondere besteht Bedarf zur Reduzierung des Kühlluftvolumens, das zur Kühlung von Komponenten in den Zwischenstufenräumen einer Gasturbine notwendig ist.
Konkret besteht Bedarf an einer Anordnung, die die Aufheizung in den Zwischenstufenräumen einer Gasturbine reduziert, die durch Eintritt des Hauptgasstroms in die Zwischenstufenräume bedingt ist.
US3945758 beschreibt eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese und andere Aufgaben werden von der Erfindung gelöst, welche eine verbesserte Gasturbine betrifft, die das Volumen der zur Kühlung der Zwischenstufenräume benötigten Kühlluft reduziert, indem der Eintritt des heißen Hauptgasstroms auf Bereiche der Zwischenstufenräume beschränkt wird, die hohen Temperaturen standzuhalten vermögen. Insbesondere stellt die Erfindung eine Gasturbine gemäß der Ausführung in dem unabhängigen Anspruch bereit.
Der radial nach innen gerichtete Bereich ist somit gegen die heißen Hauptgase geschützt. Das ermöglicht eine Reduzierung des Kühlgasvolumens, was eine Steigerung des Wirkungsgrads der Turbine bewirkt.
Die Scheidungswand ist ein an der Baugruppe befestigter, ringförmiger Flansch. Die Statorstufe umfasst Schrauben, die die Dichtungsbaugruppe mit den Statorschaufeln verbinden, wobei diese Schrauben mit Köpfen versehen sind, die sich axial in den Nebenraum erstrecken, und die Scheidungswand ist bezüglich der Schraubenköpfe radial nach außen gerichtet angeordnet, so dass sich diese in dem radial nach innen gerichteten Bereich des Nebenraums befinden und vor dem Eintritt aus dem Hauptgasstrom geschützt sind. Wie bereits erwähnt, ist die Scheidungswand vorzugsweise ein ringförmiger Flansch und erstreckt sich axial von der Dichtungsbaugruppe über die Schraubenköpfe hinaus. Die Scheidungswand erstreckt sich axial mindestens um 1/3 und um höchstens 2/3 über den Nebenraum und vorzugsweise zwischen ca. 1/2 und 2/3. In der meistbevorzugten Anordnung erstreckt sich die Scheidungswand um ca. 2/3 über den Nebenraum.
Ähnliche Scheidungswände können in den zusätzlichen, nachgelagerten Nebenräumen innerhalb zusätzlicher Zwischenstufenräume in der Gasturbine bereitgestellt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein umfassendes Verständnis der Erfindung lässt sich anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen gewinnen, wobei:
1 eine Teilansicht eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäße Gasturbine,
2 einen Teil von 1 mit Darstellung des Zwischenstufenraums in vergrößertem Maßstab,
3 eine fragmentarische Schnittansicht eines Teils des Zwischenstufenraums mit Darstellung der Scheidewand, die Teil der Erfindung ist,
4 eine schematische Darstellung der Strömung innerhalb des vorgelagerten Zwischenstufennebenraums der Turbine ohne die Erfindung und
5 ähnlich wie 4 ist und die Modifikation des Strömungsmusters aufgrund der Anwendung der Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es wird Bezug genommen auf 1, in der die Gasturbine 1 einen Turbinenabschnitt 3 aufweist, in dem ein Rotor 5 zur Drehung in einem Turbinengehäuse 7 angeordnet ist. Der Rotor 5 ist mit einer Anzahl von Rotorscheiben 9 versehen, die axial entlang der Rotorwelle 11 beabstandet sind, um Zwischenstufenräume 13 zu bilden. Obwohl in 1 keine Einzelheiten der Rotorscheibe 9 dargestellt werden und für die vorliegende Erfindung auch nicht relevant sind, umfasst jede der Scheiben eine Anzahl von Rotorschaufeln 15, die sich radial nach außen gerichtet zum Turbinengehäuse 7 in die Hauptgasströmungsbahn 17 erstrecken, die sich vom Turbineneinlass 19 zum Turbinenauslass 21 erstreckt.
Die Gasturbine 1 umfasst zudem einen Stator 23 mit einer Anzahl von Statorstufen oder -abschnitten 25, von denen sich jeder radial nach innen gerichtet von dem Turbinengehäuse 7 in die Zwischenstufenräume 13 erstreckt. Jeder Statorabschnitt umfasst eine Vielzahl von Statorschaufeln 27, die an dem Turbinengehäuse 7 in axialer Ausrichtung mit den Rotorschaufeln 15 in der Hauptgasströmungsbahn 17 fest angeordnet sind. Wie am besten in 2 zu erkennen ist, umfassen die Statorabschnitte 25 eine Dichtungsbaugruppe 28, die sich aus einem Zwischenstufendichtungsgehäuse 29 und zugehörigen Dichtungen zusammensetzt. Das Zwischenstufendichtungsgehäuse 29 ist mit einem Bügel 31 versehen, durch den es an Flanschen 33 an den Statorschaufeln mittels Schrauben 35 unter Einhaltung eines Spiels derart befestigt ist, dass die Dichtungsbaugruppe zwischen den Statorschaufeln 27 und der Rotorwelle 11 schwimmend gelagert ist. Eine Labyrinthdichtung 37 im Zwischenstufendichtungsgehäuse 29 dichtet gegen die Rotorwelle 11 ab. Eine weitere Labyrinthdichtung 41 erstreckt sich zwischen dem Zwischenstufendichtungsgehäuse 29 und dem Flansch 43 auf der vorgelagerten Rotorscheibe. Eine ringförmige Dichtungsplatte 45 liegt an einer Lippe 47 in dem Zwischenstufendichtungsgehäuse 29 und einem Flansch 49 an den Statorschaufeln 27 mittels einer Schraubendruckfeder 51 an, die über eine Schraube 53 gegen eine vorgelagerte Seite des Bügels 31 gespannt und relativ dazu positioniert wird. Wie zu sehen, teilen die Statorabschnitte 25 die Zwischenstufenräume 13 in vor- und nachgelagerte Nebenräume 55u und 55d. Die Labyrinthdichtungen 37 und 41 beschränken mit Unterstützung der Ringdichtungen 57 und 59, die an den oberen Enden der Nebenräume mittels Ringnuten auf den vor- und nachgelagerten Rotorscheiben ausgebildet sind, einen Vorbeitritt des Hauptgasstroms 17 an den Statorschaufeln.
Aus dem (nicht gezeigten) Turbinenverdichter geblasene Kühlluft wird mittels der (nicht gezeigten) Statorschaufeln in die Zwischenstufenräume 55 durch den Kühllufteinlass 61 in das Dichtungsgehäuse 29 geführt, um die Dichtungen zu kühlen. Die Kühlluft strömt radial nach außen gerichtet durch die Zwischenstufenräume 13, einschließlich der Nebenräume 55u und 55d, und tritt durch die Ringdichtungen 57 und 59 in den Hauptgasstrom.
Trotz der Bereitstellung der Ringdichtung 57 und eines angrenzenden Ringdichtungsraums 63 tritt ein Teil des Hauptgasstroms 17 in den Nebenraum 55u. Durch die rotierenden Teile induzierte Druckschwankungen bewirken eine Umwälzung in den Nebenräumen, wodurch der sehr heiße Hauptgasstrom hin zu den Stator-/Rotordichtungen 37 und 41 gezogen wird. Wie in 4 schematisch dargestellt, tritt der Kühlluftstrom im vorderen Teil des Nebenraums 55u nach oben, wie anhand des Pfeils 65 bezeichnet, und die Umwälzung erfolgt hauptsächlich entlang dem hinteren Teil des Nebenraums, wie anhand des Pfeils 67 bezeichnet. Um die Dichtungen 37 und 41 vor dem Eintritt aus dem heißen Hauptgasstrom zu schützen, muss eine ausreichende Kühlung bereitgestellt werden, die den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine reduziert.
Erfindungsgemäß ist eine Scheidungswand 69 in Form eines ringförmigen Flansches an der Dichtungsbaugruppe 28 angeordnet und erstreckt sich teilweise über den Nebenraum 55u und teilt somit diesen in einen radial nach innen gerichteten Bereich 71 und einen radial nach außen gerichteten Bereich 73. Die Scheidungswand 69 ist so angeordnet und konfiguriert, dass sie den Eintritt des Hauptgasstroms auf den radial nach außen gerichteten Bereich 73 des Nebenraums 55u beschränkt. Wie in 2 gezeigt, ist die Scheidungswand 69 so angeordnet, dass sich die Köpfe 53h der Schrauben 53 in dem radial nach innen gerichteten Bereich 71 des Nebenraums 55u befinden und daher zusammen mit den Dichtungen 37 und 41 vor den hohen Temperaturen geschützt sind. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Scheidungswand 69 beispielsweise durch Verschweißen mit der ringförmigen Dichtungsplatte 45 befestigt.
Mithilfe dieser Scheidungswand 69 wird der Strom in dem Nebenraum 55u wie in 5 dargestellt modifiziert, so dass der Großteil des Eintritts aus dem Hauptgasstrom in dem radial nach außen gerichteten Bereich 73 des Nebenraums 55u umgewälzt wird.
Die Scheidungswand 69 ist ein umlaufend durchgehender Flansch, der sich axial von der Dichtungsplatte 45 über die Köpfe der Schrauben 53 erstreckt. Wie besprochen, erstreckt sich die Scheidungswand teilweise über den Nebenraum 55u in einem Maße, dass der Eintritt des Hauptgasstroms in den radial nach innen gerichteten Bereich 71 des Nebenraums minimiert wird, in dem sich die Dichtungen 37 und 41 und die Köpfe der Schrauben 53 befinden. Idealerweise erstreckt sich die Scheidungswand so weit wie möglich über den Nebenraum 55u, während eine Öffnung gelassen wird, damit Kühlluft radial nach außen gerichtet strömen kann, wobei jedoch in Industrieturbinen, die radial montiert werden, die axiale Länge der Scheidungswand durch die axiale Lage der Ringdichtung 57 begrenzt ist, die frei bleiben muss, wenn der Statorabschnitt in den Zwischenstufenraum 13 eingesetzt wird. In diesem letztgenannten Fall erstreckt sich die Scheidungswand mindestens um ca. 1/3 und höchstens um ca. 2/3 über den Nebenraum 55u und vorzugsweise zwischen ca. 1/2 und ca. 2/3. In der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich die Scheidungswand 69 um ca. 2/3 über den Nebenraum.
Mit der Scheidungswand 69 wird der Eintritt des Hauptgasstroms auf die Teile des Nebenraums begrenzt, die hohen Temperaturbedingungen standzuhalten vermögen. Der Massenstrom der dem Nebenraum zugeführten Sekundärkühlluft kann somit reduziert werden. Die Kühlluft, die nun nicht mehr dem Nebenraum zugeführt werden muss, kann in andere Bereiche umgelenkt werden, die höheren Kühlbedarf haben. Insgesamt kann die Erfindung die notwendige Menge an Kühlluft senken und somit die Leistung der Turbine erhöhen.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben worden sind, wird einschlägigen Fachleuten klar sein, dass diverse Modifikationen und Alternativen an diesen Details im Zusammenhang mit der gesamten Beschreibung der Erfindung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sind die beschriebenen konkreten Anordnungen nur darstellend zu verstehen und schränken den Schutzumfang der Erfindung nicht ein, der anhand der anhängenden Ansprüche und aller diesbezüglichen Äquivalente umfänglich dargelegt wird.

Claims

Gasturbine (1) mit: einem Turbinengehäuse (7); einem zur Drehung innerhalb des Turbinengehäuses (7) angeordneten Rotor (5) mit einer Rotorwelle (11) und mindestens einer ersten und zweiten Stufe von Rotorscheiben (9), die auf der Rotorwelle axial beabstandet angeordnet sind, um einen Zwischenstufenraum (13) zu bilden, wobei die Rotorscheiben (9) der ersten und zweiten Stufe jeweils eine Vielzahl von Rotorschaufeln (15) aufweisen, die sich radial nach außen gerichtet in einen Hauptgasstrom (17) erstrecken; einem Stator (23) mit mindestens einer Statorstufe (25), die sich radial nach innen gerichtet in den Zwischenstufenraum (13) von dem Turbinengehäuse (7) zur Rotorwelle (11) erstreckt, wobei die mindestens eine Statorstufe eine Vielzahl von Statorschaufeln (27) aufweist, die axial mit den Rotorschaufeln (15) in dem Hauptgasstrom (17) ausgerichtet sind und radial nach innen gerichtet mit einer Dichtungsbaugruppe (28) enden, welche gegen die Rotorwelle (11) abdichtet, wobei die mindestens eine Statorstufe (25) mit der Rotorscheibe (9) der ersten Stufe einen ringförmigen Nebenraum (55u) innerhalb des Zwischenstufenraums (13) bildet, und wobei die mindestens eine Statorstufe (25) Schrauben (53) umfasst, mit denen die Dichtungsbaugruppe (28) mit den Statorschaufeln (27) verbunden ist und mit Schraubenköpfen (53h) ausgestattet ist, die in den Nebenraum vorstehen; einem Kühllufteinlass (61), der Kühlluft in den Zwischenstufenraum (13) einführt, welche radial nach außen gerichtet durch den Zwischenstufenraum (13), einschließlich des Nebenraums (55u), tritt und in den Hauptgasstrom entladen wird (17); und einer Scheidungswand (69), die sich von der Dichtungsbaugruppe (28) teilweise über den Nebenraum (55u) zur Rotorscheibe (9) der ersten Stufe erstreckt und den Nebenraum (55u) in einen radial nach innen gerichteten Bereich (71) und einen radial nach außen gerichteten Bereich (73) teilt, wobei die Scheidungswand (69) so konfiguriert und positioniert ist, dass sie den Eintritt aus dem Hauptgasstrom (17) zu dem radial nach außen gerichteten Bereich (73) beschränkt, und wobei die Scheidungswand (69) zu den Schraubenköpfen (53h) radial nach außen gerichtet angeordnet ist, so dass die Schraubenköpfe (53h) im radial nach innen gerichteten Bereich des Nebenraums liegen und vor dem Eintritt aus dem Hauptgasstrom geschützt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Scheidungswand (69) axial mindestens um 1/3, aber nicht mehr als um 2/3 über den Nebenraum erstreckt.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheidungswand (69) ein ringförmiger, an der Dichtungsbaugruppe (28) befestigter Flansch ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheidungswand (69) ein umlaufend durchgehender Flansch ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der umlaufend durchgehende Flansch (69) axial von der Dichtungsbaugruppe (28) über die Schraubenköpfe (53h) hinaus erstreckt.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Scheidungswand (69) axial um mindestens den halben Weg über den Nebenraum erstreckt.
Gasturbine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheidungswand (69) ein ringförmiger, mit der Dichtungsbaugruppe verbundener Flansch ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der ringförmige Flansch axial um mindestens zwei Drittel über den Nebenraum erstreckt.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) zusätzliche Rotorscheiben (9) umfasst, die sich axial entlang der Rotorwelle (11) erstrecken, um zusätzliche Zwischenstufenräume (13) zu bilden, wobei der Stator (23) zusätzliche Statorstufen (25) umfasst, die sich jeweils radial nach innen gerichtet in einen zusätzlichen Zwischenstufenraum (13) erstrecken und eine Dichtungsbaugruppe (28) aufweisen, die gegen die Rotorwelle (11) abdichtet und mit einer vorgelagerten Rotorscheibe (9) einen zusätzlichen Nebenraum (55u) bildet, wobei der Kühllufteinlass (61) Kühlluft in die zusätzlichen Zwischenstufenräume (13) einführt, welche radial nach außen gerichtet durch die zusätzlichen Zwischenstufenräume (13) strömt, einschließlich der zusätzlichen Nebenräume (55u), wobei zusätzliche Scheidungswände (69) sich von den zusätzlichen Dichtungsbaugruppen (28) teilweise über die zusätzlichen Nebenräume (55u) erstrecken und die Nebenräume in radial nach innen gerichtete Bereiche (71) und radial nach außen gerichtete Bereiche (73) teilen, wobei die zusätzlichen Scheidungswände (69) so konfiguriert und positioniert sind, dass sie den Eintritt aus dem Hauptgasstrom (17) in die radial nach außen gerichteten Bereiche (73) beschränken.
Gasturbine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheidungswand (69) und die zusätzlichen Scheidungswände (69) ringförmige Flansche umfassen, die sich axial von den Dichtungsbaugruppen (28) erstrecken.