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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere
ein Kühlungsschema mit
geschlossenem Kreislauf für
stationäre
heiße
Teile einer Gasturbine.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Verbrennungsturbinen
umfassen ein Gehäuse
oder einen Zylinder zur Unterbringung eines Verdichterteils, eines
Verbrennungsteils und eines Turbinenteils. Der Verdichterteil umfasst
ein Eintrittsende und ein Austrittsende. Der Verbrennungsteil oder
die Brennkammer umfasst ein Eintrittsende und einen Brennkammerübergang.
Der Brennkammerübergang
befindet sich in der Nähe
des Austrittsendes des Verbrennungsteils und umfasst eine Wand,
welche einen Strömungskanal
definiert, welcher das Betriebsfluid in das Eintrittsende des Turbinenteils
leitet. Zugeführte
Luft wird im Verdichterteil verdichtet und in den Verbrennungsteil
geleitet. Brennstoff strömt über eine
Düse in
den Verbrennungsteil ein. Die verdichtete Luft strömt in den
Verbrennungseintritt ein und wird mit dem Brennstoff gemischt. Das Luft-Brennstoff-Gemisch
wird anschließend
verbrannt, wodurch Gas erzeugt wird, das eine hohe Temperatur und
einen hohen Druck aufweist. Dieses Betriebsgas wird dann am Brennkammerübergang vorbei
ausgestoßen
und in den Turbinenteil eingeblasen, um die Turbine zu betreiben.
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Der
Turbinenteil umfasst Reihen von Leitschaufeln, welche das Betriebsgas
zu den Schaufelblattabschnitten der Turbinenschaufeln leiten. Das Betriebsgas
strömt
durch den Turbinenteil hindurch, bewirkt dabei die Rotation der
Turbinenschaufeln und dreht dadurch den Läufer, welcher mit einem Generator
zur Erzeugung von Elektrizität
verbunden ist.
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Wie
den Fachleuten bekannt ist, wird die maximale abgegebene Leistung
einer Gasturbine erzielt, indem das Gas, das durch den Verbrennungsteil strömt, auf
eine möglichst
hohe Temperatur erhitzt wird. Das heiße Gas erwärmt jedoch die verschiedenen
Bauteile der Turbine, wie etwa den Übergang, die Leitschaufeln
und Ringsegmente, an denen es vorbeiströmt, wenn es durch die Turbine
strömt.
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Dementsprechend
ist die Möglichkeit,
die Brenntemperatur der Verbrennung zu erhöhen, durch die Fähigkeit
der Turbinenbauteile begrenzt, erhöhten Temperaturen standzuhalten.
Daher sind verschiedene Kühlmethoden
entwickelt worden, um heiße
Teile einer Turbine zu kühlen.
Diese Methoden umfassen Lüftkühlungsverfahren
mit offenem Kreislauf und Kühlsysteme
mit geschlossenem Kreislauf.
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Bei
den herkömmlichen
Lüftkühlungsverfahren
mit offenem Kreislauf wird Luft vom Verdichter zum Brennkammerübergang
abgeleitet, um die heißen
Teile der Turbine zu kühlen.
Das Kühlmittel
entzieht den Bauteilen der Turbine Wärme und strömt dann weiter in den inneren Übergangs-Strömungskanal
und vereinigt sich mit dem Betriebsfluid, das in den Turbinenteil
einströmt.
Ein Nachteil von Kühlsystemen
mit offenem Kreislauf besteht darin, dass sie viel benötigte Luft
vom Verdichter ableiten, z. B. wird eine beträchtliche Luftströmung benötigt, um
die Flammtemperatur der Brennkammer niedrig zu halten. Ein weiterer
Nachteil einer Kühlung
eines Brennkammerübergangs
mit offenem Kreislauf sind die erhöhten NOx-Emissionen. Es ist
daher wünschenswert,
ein Kühlsystem
bereitzustellen, welches weniger Luft vom Verdichter ableitet und
die NOx-Emissionen in Grenzen hält.
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Herkömmliche
Kühlbaugruppen
mit geschlossenem Kreislauf von Turbinen umfassen im Allgemeinen
wenigstens einen Verteiler, Zugentlastungsvorrichtungen wie etwa
Kolbenringe oder Faltenbalge und eine außerhalb der Turbine befindliche Kühlmittelzuführung. Der
Verteiler umfasst normalerweise ein äußeres Gehäuse. Die Zugentlastungsvorrichtungen
werden verwendet, um das äußere Gehäuse des
Verteilers in der Nähe
des Bauteils anzuschließen,
welches gekühlt
werden muss.
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Die
Verteiler eines geschlossenen Kühlkreislaufs
nehmen Kühlmittel
von der außerhalb
der Turbine befindlichen Quelle auf und verteilen das Kühlmittel
in Umfangsrichtung im Bereich des Turbinengehäuses. Im Unterschied zu Kühlsystemen
mit offenem Kreislauf bleibt das Kühlmittel eines geschlossenen
Kreislaufs vom Betriebsfluid, das entlang des Durchflussweges der
Turbine strömt,
getrennt und wird zu einer Stelle außerhalb der Turbine abgeleitet.
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Bei
herkömmlichen
Kühlsystemen
mit geschlossenem Kreislauf kommen jedoch relativ komplexe Verteiler-Befestigungsbaugruppen
zur Anwendung. Diese Verteiler-Befestigungsbaugruppen verursachen
wiederum eine Erhöhung
der Gesamtkosten der Instandhaltung einer Verbrennungsturbine. Herkömmliche
Verteiler-Befestigungsbaugruppen müssen präzise konstruiert
sein, um eine ausreichende Kopplung der Verteiler mit dem Turbinengehäuse zu ermöglichen.
Es ist daher wünschenswert, ein
stärker
vereinfachtes und wirtschaftlicheres Kühlungsschema mit geschlossenem
Kreislauf bereitzustellen.
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Bei
herkömmlichen
Kühlungsschemata
mit geschlossenem Kreislauf werden gewöhnlich komplexe Rohrleitungsschemata
verwendet, um einen Verteiler an die Kühlmittelquelle außerhalb
der Turbine anzuschließen.
Wenn mehrere heiße
Teile einer Turbine gekühlt
werden, kann die Anzahl der Rohre groß sein. Jedes Rohr erfordert
außerdem
Verbindungselemente wie etwa Kolbenringe oder Faltenbalge für die Befestigung
am Verteiler oder, falls kein Verteiler vorhanden ist, direkt an
den heißen
Teilen der Turbine. Mehr Rohre und Verbindungselemente haben eine
kostenaufwendigere Installation und Instandhaltung der Turbine zur
Folge. Es ist deshalb wünschenswert,
ein Kühlungsschema
mit geschlossenem Kreislauf bereitzustellen, welches weniger Rohre
und somit weniger Verbindungselemente erfordert als herkömmliche
Kühlungsschemata.
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Kolbenringe
und Faltenbalge von herkömmlichen
Kühlungsschemata
mit geschlossenem Kreislauf weisen ebenfalls spezifische Nachteile
auf. Sowohl Kolbenringe als auch Faltenbalge besitzen schlechte
Eigenschaften, was ihre Lebensdauer anbelangt. Kolbenringe weisen
erhebliche Leckverluste auf, erfordern große Druckabfälle, um einwandfrei zu funktionieren,
und ihre richtige Ausrichtung muss erhalten bleiben, damit sie wirksam
sind. Außerdem
ist es sowohl bei Faltenbalgen als auch bei Kolbenringen schwierig,
sie zu installieren sowie instand zu halten. Hinzu kommt, dass Faltenbalge
und Kolbenringe nicht sehr flexibel sind, was ihre Reaktion auf sich ändernde
Bedingungen oder Positionen der Teile, mit denen sie verbunden sind,
anbelangt. Es ist deshalb wünschenswert,
ein Kühlungsschema
mit geschlossenem Kreislauf bereitzustellen, bei welchem Rohrverbindungen
verwendet werden, die bessere Eigenschaften als Kolbenringe und
Faltenbalge aufweisen.
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In
WO 9618810 wird eine Verbrennungsturbine von der im Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs genannten Art offenbart.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
wird eine Verbrennungsturbine bereitgestellt, wie im unabhängigen Anspruch
angegeben.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Kühlungsschema
ferner eine Rohrleitungsanordnung zum Verteilen des Kühlmittels
auf die Turbinenkomponenten und zum Ableiten des Kühlmittels
aus ihnen. Die Rohrleitungsanordnung umfasst Einlassrohre und Einlassdurchlässe für die Zuführung des
Kühlmittels
aus der Kühlmitteleinlasskammer
zu den Turbinenkomponenten und Ausströmrohre und Ausströmdurchlässe zum
Leiten des Kühlmittels
von den Turbinenkomponenten zur Kühlmittelausströmkammer.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Kühlungsschema ferner
statische Dichtungen zum Abdichten des Schaufelkranzes bezüglich des
Zylinders und gelenkige Verbindungen zum Befestigen des Schaufelkranzes
an den Turbinenkomponenten. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Kühlungsschema
ferner ein Luftzuführungssystem
zum Zuführen
von Luft, um eine Zwischenstufendichtung, die sich radial innerhalb
der Leitschaufeln der zweiten Reihe der Turbine befindet, positiv
mit Druck zu beaufschlagen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittdarstellung eines Kühlungsschemas
mit geschlossenem Kreislauf gemäß der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit einer Verbrennungsturbine.
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2 ist
eine Schnittdarstellung eines Kühlungsschemas
mit geschlossenem Kreislauf gemäß der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit einem Teil der oberen Hälfte einer
Turbine.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
wird auf die Zeichnungen Bezug genommen; in 1 ist eine
Schnittansicht des Kühlungsschemas
mit geschlossenem Kreislauf gemäß der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit einer Verbrennungsturbine dargestellt. 1 zeigt
einen Verdichterteil 94, einen Verbrennungsteil 96,
eine Düse 97 und
einen Turbinenteil 100, um den herum das Kühlungsschema
angeordnet ist.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlungsschemas mit
geschlossenem Kreislauf gemäß der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit einem Teil der oberen Hälfte einer
Turbine. Der in 2 dargestellte Turbinenteil
umfasst einen Übergang 10,
Leitschaufeln 22 und 24, Ringsegmente 32 und 34,
einen Schaufelkranz 40 und einen Zylinder 50.
Das Kühlungsschema
der vorliegenden Erfindung ist dazu bestimmt, von diesen Turbinenkomponenten
die Leitschaufeln der ersten und zweiten Reihe 22 und 24, die
Ringsegmente der ersten und zweiten Reihe 32 und 34 und
den Übergang 10 zu
kühlen,
die zusammen als die heißen
Teile der Turbine bezeichnet werden. Diese Turbinenkomponenten sind
in regelmäßigen Abständen entlang
des Umfangs der Turbine angeordnet.
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Das
Kühlungsschema
mit geschlossenem Kreislauf gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine ringförmige
Kühlmitteleinlasskammer 80 zur Aufnahme
des Kühlmittels,
bevor es auf die heißen Teile
der Turbine verteilt wird, eine ringförmige Kühlmittelausströmkammer 90 zum
Sammeln des aus den heißen
Teilen der Turbine ausströmenden
Kühlmittels,
eine Kühlmitteleinlassleitung 78 zum
Zuführen
des Kühlmittels
zur Kühlmitteleinlasskammer 80, eine
Kühlmittelausströmleitung 92 zum
Ableiten von Kühlmittel
aus der Kühlmittelausströmkammer 90 und
eine Rohrleitungsanordnung zum Verteilen des Kühlmittels auf die heißen Teile
der Turbine und zum Ableiten des Kühlmittels von diesen. Das Kühlmittel ist
vorzugsweise Dampf, jedoch ist die Erfindung auch für andere
Kühlmittel
anwendbar. Außerdem werden
in dem Kühlungsschema
statische Dichtungen 44 und 45 zum Abdichten des
Schaufelkranzes 40 bezüglich
des Zylinders 50 und gelenkige Verbindungen 60 zum
Befestigen des Schaufelkranzes 40 an den heißen Teilen
der Turbine verwendet, um eine den Durchfluss eines Fluids ermöglichende
Verbindung zwischen den heißen
Teile der Turbine und den Kammern 80 und 90 zu
erreichen.
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Die
Rohrleitungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst Einlasskanäle
und Ausströmkanäle durch
den Schaufelkranz 40. Die Einlasskanäle sind Einlassrohre, Einlassdurchlässe oder
eine Kombination von beidem. Die Ausströmkanäle sind Ausströmrohre,
Ausströmdurchlässe oder eine
Kombination davon. Durchlässe
werden, im Gegensatz zu Rohren, manchmal an Stellen verwendet, an
denen der Kanal durch den Schaufelkranz 40 hindurchführen muss.
Einlasskanäle
führen
das Kühlmittel
den zu kühlenden
Turbinenkomponenten zu und erstrecken sich von der Kühlmitteleinlasskammer 80 zu
den einzelnen heißen
Teilen. Ausströmkanäle leiten
das Kühlmittel
von den Turbinenkomponenten ab und erstrecken sich von dem jeweiligen heißen Teil
zur Kühlmittelausströmkammer 90.
Letzten Endes hängt
die Anzahl der Kanäle,
aus denen die Rohrleitungsanordnung besteht, von der Anzahl der
heißen
Teile der Turbine ab, die sich im Bereich der Turbine befinden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das Kühlungsschema an einer ATS-("Advanced Turbine
System"-)Turbine installiert.
Da an der ATS-Turbine sechzehn Übergänge 10 vorhanden
sind, existieren sechzehn Paare von Einlasskanälen (Rohre 8) und
Ausströmkanälen (Rohre,
nicht dargestellt), um den Übergang 10 zu kühlen. Analog
existieren zweiunddreißig
Paare von Einlasskanälen
(Rohre 19) und Ausströmkanälen (Durchlässe 21)
für die
Leitschaufeln 22 der ersten Reihe, zweiunddreißig Paare
von Einlasskanälen (Durchlässe 23)
und Ausströmkanälen (Durchlässe 25)
für die
Leitschaufeln 24 der zweiten Reihe, achtundvierzig Paare
von Einlasskanälen
(Rohre 29 und 36) und Ausströmkanälen (Rohre 39 und
Durchlässe 31)
für die
Ringsegmente 32 der ersten Reihe und achtundvierzig Paare
von Einlasskanälen
(Rohre 37 und Durchlässe 33)
und Ausströmkanälen (Rohre 35 und 38)
für die
Ringsegmente 34 der zweiten Reihe. Es ist zu beachten,
dass die 1 und 2 nur das Kühlungsschema
an einer Stelle im Bereich der Turbine zeigen.
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Während des
Betriebs des Kühlungsschemas
gemäß der vorliegenden
Erfindung strömt
Kühlmittel
von einer äußeren Quelle
durch die Kühlmitteleinlassleitung 78 in
die Kühlmitteleinlasskammer 80 ein,
von der aus es durch die Einlassrohre der Rohrleitungsanordnung
und die Öffnungen
im Schaufelkranz 40 zu den heißen Teile der Turbine geleitet wird.
Von den heißen
Teilen wird Wärme
auf das Kühlmittel übertragen,
und das Kühlmittel
wird durch die Ausströmrohre
der Rohrleitungsanordnung und die Öffnungen im Schaufelkranz 40 in
die Kühlmittelausströmkammer 90 geleitet,
von der aus es durch die Kühlmittelausströmleitung 92 zu
einer Wärmerückgewinnungseinheit
(nicht dargestellt) abgeleitet wird.
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Vor
dem Betrieb des Kühlungsschemas
auf die oben beschriebene Weise mit Dampf als Kühlmittel wird Heißluft anstelle
von Kühldampf
verwendet, um das System vorzuwärmen.
Ohne diese Erwärmungsphase
mit Heißluft
würde der
Kühldampf überall im
System eine Kondensation hervorrufen. Analog wird nach dem Betrieb
des Kühlungsschemas
mit Kühldampf
nochmals Heißluft
durch das System geblasen, um die Menge des Kondensats, das sich
bilden kann, zu begrenzen.
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Da
sich die Kühlmitteleinlasskammer 80 unmittelbar über den
Leitschaufeln 24 der zweiten Reihe und den Ringsegmenten 34 der
zweiten Reihe befindet, werden keine Rohrleitungen benötigt, um
diesen Teilen Kühlmittel
zuzuführen.
Es werden nur gelenkige Verbindungen 60 benötigt, um
den Schaufelkranz 40 mit diesen Teilen zu verbinden, da
durch den Schaufelkranz 40 hindurchführende Durchlässe die
Verbindung mit der Kühlmitteleinlasskammer 80 vollenden.
Es werden jedoch Rohrleitungen 35 und 38 benötigt, um
das Kühlmittel
aus den Ringsegmenten 34 der zweiten Reihe abzuleiten,
da die Ringsegmente 34 der zweiten Reihe sich in einem
gewissen Abstand von der Kühlmittelausströmkammer 90 befinden.
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Alle
Rohre sind mit dem Schaufelkranz 40 mittels Hartschweißen verbunden,
außer
an den Stellen, wo eine zusätzliche
Elastizität
und Einfachheit der Montage erforderlich sind. Während des Startens und des
Abschaltens der Turbine ist eine durch Wärmedehnung verursachte Bewegung
der Leitschaufeln 22 und 24 und des Schaufelkranzes 40 relativ
zueinander zu erwarten. Um diesem Problem zu begegnen, sind elastische
Verbindungen oder gelenkige Verbindungen 60 zwischen dem
Schaufelkranz 40 und den Leitschaufeln 22 und 24 erforderlich,
um eine relative axiale und seitliche Bewegung der Leitschaufeln 22 und 24 zu
ermöglichen.
Vorzugsweise werden anstelle von Faltenbalgen oder Kolbenringen
Flex-Slide-Gelenke (elastische Schubgelenke) 60, die von
EG&G Pressure
Science hergestellt werden, verwendet. Aspekte der Flex-Slide-Gelenke 60 werden
in den US-Patenten 4.054.306, 4.448.449 und 4.071.269 beschrieben.
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Diese
gelenkigen Verbindungen 60 gewährleisten eine Dichtfläche mit
Linienberührung
während der
Ausdehnung, Kontraktion und Winkelbewegung der Verbindung. Erste
Beurteilungen von Kolbenring-Verbindungen und den Flex-Slide-Gelenken 60 zeigen,
dass die Flex-Slide-Gelenke 60 Leckverluste aufweisen,
die 1/10 von denen von Kolbenring-Verbindungen betragen. Vorzugsweise
werden, wie in 2 dargestellt, die Flex-Slide-Gelenke 60 verwendet,
um den Übergang 10 und
die Leitschaufeln 22 und 24 mit der Kühlmitteleinlasskammer 80 und
der Kühlmittelausströmkammer 90 zu
verbinden.
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Abschnitte 36 und 37 der
Einlasskanäle
und Abschnitte 39 und 38 der Ausströmkanäle für die Ringsegmente 32 und 34 sind
in Säulen 20 bzw. 30 angeordnet.
Die Säulen 20 und 30 sind
zylindrische Gehäuse,
welche vom Schaufelkranz 40 aufgenommen werden und mit
diesem verschraubt sind, um die Abschnitte 36, 37, 39 und 38 aufzunehmen.
Die Ringsegmente 32 und 34 erfordern keine gelenkigen
Verbindungen 60; stattdessen werden Schrauben verwendet,
um die Säulen 20 und 30 mit
den Ringsegmenten 32 und 34 zu verbinden.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 2 dargestellt
ist, wird ein Luftzuführungssystem
verwendet, bei welchem ein ringförmiger
Hohlraum 64 zwischen den Leitschaufeln 24 der
zweiten Reihe und dem Schaufelkranz 40 mit Luft geflutet
wird. Die Luft wird benötigt,
um eine Zwischenstufendichtung (nicht dargestellt), die sich radial
innerhalb der Leitschaufeln 24 der zweiten Reihe befindet,
positiv mit Druck zu beaufschlagen. Eine positive Druckbeaufschlagung
ist an der Zwischenstufendichtung erforderlich, damit das Betriebsfluid
nicht mit der Konstruktion des Turbinenläufers in Kontakt kommt.
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Das
Luftzuführungssystem
umfasst vier Lufteinlassleitungen 62, vier gelenkige Verbindungen 60 und
einen ringförmigen
Hohlraum 64. Die Verwendung des ringförmigen Hohlraums 64 zum
Verteilen von Luft in Umfangsrichtung in der Turbine ermöglicht es,
dass die Luft zugeführt
wird, ohne die horizontale Stoßstelle
der Turbine ohne Rohrleitung zu überbrücken. Nachdem
die obere Hälfte
des Zylinders 50 installiert ist, werden die vier gelenkigen
Verbindungen 60 durch den Zylinder 50 hindurch
am Schaufelkranz angebracht, wobei sie in Abständen von 90 Grad um die Turbine
herum angeordnet werden.
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Das
Luftzuführungssystem
benötigt
Zusatzluft vom Verdichter. Diese Luft strömt an den Lufteinlassleitungen 62 in
das Kühlungsschema
ein, strömt durch
die Wand des Zylinders 50, durch die Kühlmitteleinlasskammer 80 (mittels
der gelenkigen Verbindungen 60 und der Luftleitungen 61),
durch den Schaufelkranz 40 und in den ringförmigen Hohlraum 64 zwischen
den Leitschaufeln 24 der zweiten Reihe und dem Schaufelkranz 40.
Vorzugsweise sind die gelenkigen Verbindungen 60 Flex-Slide-Gelenke 60, und
die Luftleitungen 61 sind Leitungen.
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Während der
Installation werden alle Rohre, vorzugsweise durch Hartschweißen, mit
dem Schaufelkranz 40 verbunden, bevor der Schaufelkranz 40 im
Zylinder 50 angebracht wird. Die gelenkigen Verbindungen 60 werden
an den Leitschaufeln 22 und 24 mit starren Verbindungsstücken befestigt
und in den Schaufelkranz 40 geschweißt. Die gelenkigen Verbindungen 60 ermöglichen
eine einfache Ausrichtung und Installation der Lufteinlassleitungen 62, Leitschaufeln 22 und 24 und Übergänge 10.
Das Kühlungsschema
ermöglicht
einen axialen Einbau der Leitschaufeln 22 der ersten Reihe
und einen Einbau der Leitschaufeln 24 der zweiten Reihe
an der Umfangsseite. Die Verschraubung an der horizontalen Stoßstelle
und die Stoßstelle
selbst weisen ebenfalls konstruktive Änderungen auf. Zum Beispiel
müssen
die Einlass- und Ausströmkanäle um die
Bolzen herumgeführt
und mit Hilfe von Schlitzen und/oder gebohrten Löchern durch den Vorsprung der
horizontalen Stoßstelle
hindurchgeführt
werden.
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Ein
mögliches
Problem ist die Verstopfung der engen Kühlungsdurchlässe in den
heißen
Teilen der Turbine mit Verunreinigungen und Oxidationsmitteln, welche
im Laufe der Zeit abblättern.
Um die Möglichkeit
einer Verstopfung auf ein Minimum zu begrenzen, können in
Strömungsrichtung
gesehen vor den stationären
heißen
Teilen Filter oder Siebe verwendet werden. Es können auch "saubere" Werkstoffe für die Rohrleitungen und die
Schweißplattierung
der Innenseite der Kühlmitteleinlasskammer 80, d.
h., die Oberflächen
des Zylinders 50 und des Schaufelkranzes 40, verwendet
werden. Dadurch verringern sich die Menge und die Größe der Schmutzpartikel,
die in die stationären
heißen
Teile gelangen können.
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Der
bevorzugte "saubere" Werkstoff für derartige
Anwendungen ist die Legierung INCONEL® 625,
eine hitze- und korrosionsbeständige
Nickel-Chrom-Legierung, die von der INCO Alloys International, Inc.,
in Huntington, West Virginia, hergestellt wird. Außerdem wird
an Stellen, wo der zu einem heißen
Teil führende
Einlass ein Durchlass durch den Schaufelkranz 40 anstelle
eines Rohres ist, eine aus der Legierung INCONEL® 625
hergestellte Hülse
verwendet, um den Kühlmittelstrom
vor erodiertem Material an der Oberfläche des Durchlasses durch den
Schaufelkranz 40 abzuschirmen.
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Die
Vorteile des Kühlungsschemas
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind von verschiedener Art. Obwohl vom Verdichterteil
der Turbine etwas Luft abgezweigt wird, um das Luftzuführungssystem
mit Luft zu versorgen, wird dadurch, dass es sich bei der vorliegenden
Erfindung um eine Kühlung
mit geschlossenem Kreislauf handelt, weniger Luft vom Verdichter
abgezweigt als bei Kühlsystemen
mit offenem Kreislauf, und dadurch werden die NOx-Emissionen in
Grenzen gehalten.
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Obwohl
der Zwischenstufendichtungs-Hohlraum 64 als eine Art Verteilerbaugruppe
betrachtet werden kann, wird beim Kühlungsschema gemäß der vorliegenden
Erfindung nur das Luftzuführungssystem
verwendet, um den Zwischenstufendichtungs-Hohlraum 64 positiv mit Druck
zu beaufschlagen. Die spezielle Rohrleitungsanordnung, d. h. die vier
Lufteinlassleitungen 62, werden verwendet, um die Luft
vom Kühldampf
in der Kühlmitteleinlasskammer 80 zu
isolieren.
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Im
eigentlichen Kühlungsschema,
welches die Kühlung
unmittelbar betrifft, werden keine Verteilerbaugruppen verwendet.
Demzufolge erfordert das vorliegende Schema keine präzise Konstruktion
hinsichtlich der spanenden Bearbeitung und Ausrichtung oder präzise Instandhaltung
wie herkömmlichen Kühlungsschemata
mit geschlossenem Kreislauf, bei denen Verteiler verwendet werden,
welche präzise spanend
bearbeitet und ausgerichtet und instand gehalten werden müssen, um
zu ermöglichen,
dass die Verteiler ausreichend genau mit dem Turbinen-Schaufelkranz 40 gekoppelt
werden können. Deshalb
ist die Gestaltung des Kühlungsschemas gemäß der vorliegenden
Erfindung stärker
vereinfacht und wirtschaftlicher, als herkömmliche Kühlungsschemata mit geschlossenem
Kreislauf.
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Es
existieren verschiedene Vorteile der vorliegenden Erfindung, die
sich aus der ringförmigen Kühlmitteleinlasskammer 80 und
der ringförmigen Kühlmittelausströmkammer 90 ergeben.
Die Kammern 80 und 90 stellen eine gemeinsamen
Auslass und einen gemeinsamen Einlass zu Verfügung. Dadurch verringert sich
die Anzahl der erforderlichen Rohre und Verbindungsstellen am Zylinder 50 sowie am
Schaufelkranz 40. Die Konstruktion der Kammer ermöglicht außerdem,
dass die Durchlässe
durch den Schaufelkranz 40 eine den Durchfluss eines Fluids
ermöglichende
direkte Verbindung mit den Kammern 80 und 90 herstellen,
ohne dass zusätzliche Rohrleitungen
erforderlich sind. Dieses direkte Kommunizieren hat außerdem zur
Folge, dass weniger Verbindungsstellen verwendet werden. Außerdem gibt
es bei der Kammer-Konstruktion keine Rohr-zu-Rohr-Verbindungen,
wie sie bei herkömmlichen
Kühlungsschemata
normalerweise zu finden sind.
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Eine
weniger umfangreiche Rohrleitungskonstruktion und weniger Verbindungsstellen
haben eine weniger kostenaufwendige Installation und Instandhaltung
der Turbine zur Folge. Der Wirkungsgrad der Turbine wird bei der
Kammer-Konstruktion ebenfalls verbessert. Die kürzeren Rohre bewirken einen
geringeren Verlust an Kälteleistung,
da das Kühlmittel
von der Kühlmitteleinlasskammer 80 zu dem
jeweiligen zu kühlenden
heißen
Teil einen kürzeren
Weg zurücklegt.
Ein weiterer Vorteil der Kammer-Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass für
die Kammern 80 und 90 bereits vorhandene Komponenten
verwendet werden, nämlich
der Zylinder 50 und der Schaufelkranz 40 der Turbine.
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Die
Verwendung gelenkiger Verbindungen im Kühlungsschema gemäß der vorliegenden
Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Systemen dar, bei
denen Kolbenringe und Faltenbalge verwendet werden. Die Flex-Slide-Gelenke 60 gewährleisten
eine Dichtfläche
mit Linienberührung
während
der Ausdehnung, Kontraktion und Winkelbewegung der Verbindungen.
Die Flex-Slide-Gelenke 60 weisen wesentlich geringere Leckverluste auf
und erfordern geringere Druckabfälle
für den
Betrieb, als Kolbenring-Verbindungen. Flex-Slide-Gelenke 60 lassen
sich einfacher installieren und instand halten sowohl als Faltenbalge
als auch als Kolbenringe, wodurch sie die Instandhaltung anderer Turbinenteile
weniger mühselig
machen. Außerdem sind
die Flex-Slide-Gelenke 60 sehr
anpassungsfähig
im Hinblick auf sich ändernde
Bedingungen oder Positionen von Teilen, mit denen sie verbunden
sind.
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Obwohl
in der vorstehenden Beschreibung zahlreiche Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung dargelegt wurden, zusammen mit Einzelheiten
der Konstruktion und Funktionsweise der Erfindung, dient diese Offenbarung
selbstverständlich nur
der Verdeutlichung, und es können
im Rahmen der Prinzipien der Erfindung Änderungen an Details vorgenommen
werden, insbesondere im Hinblick auf die Form, Größe und Anordnung
von Teilen, in dem vollen Umfang, der durch die weite allgemeine
Bedeutung der Begriffe bestimmt wird, mit denen die beigefügten Ansprüche formuliert
sind.