DE948929C

DE948929C - Verfahren zur Luftkuehlung fuer die Schaufeln von Gasturbinen

Info

Publication number: DE948929C
Application number: DED14689A
Authority: DE
Inventors: Dr Bruno Eckert; Dr Heinricht Kuehl
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1953-03-27
Filing date: 1953-03-28
Publication date: 1956-09-06

Description

Es ist schon vorgeschlagen worden, die Schaufeln von Gasturbinen dadurch wirksam zu kühlen, daß man sie in radialer Richtung mit Luft durchspült, wobei der Druck der Luft beim Eintritt in die Schaufeln höher als der Gasdruck am Schaufelende ist. Die Kühlluft kann z. B. am Austritt oder an einer geeigneten Zwischenstufe des Hauptluftverdichters entnommen und mit oder ohne Zwischenkühler dem Turbinenläufer in der Nähe der Achse zugeführt werden, von wo aus sie durch Hohlräume im Turbinenlaufrad den Schaufeln zugeleitet wird.

Eine solche Luftkühlung hat jedoch den Nachteil eines verhältnismäßig großen Leistungsbedarfs für die Kühlung. Da in der Praxis die Gasturbinen vielfach nur während eines Bruchteils der ge^ samten Betriebszeit in einem eine Kühlung erfordernden Temperaturbereich arbeiten, ergibt sich dadurch in der Regel ein schlechter Wirkungsgrad.

Die Erfindung bezweckt vor allem eine Beseitigung dieses Nachteils und besteht im wesentlichen darin, daß die Menge der der Verbrennungsluft entnommenen Kühlluft in Abhängigkeit unmittelbar von der Gastemperatur bzw. der Temperatur der Turbinenschaufeln geregelt wird, derart, daß nur bei hoher Belastung bzw. hoher Temperatur die Kühlung mittels der durch die Turbinenschaufeln geleiteten Kühlluft wirksam ist bzw. die volle Kühlluftmenge geliefert wird, daß jedoch bei Teillast bzw. geringer Gas- oder Schaufeltemperatur die Kühlluftmenge auf einen Teilwert oder auf Null verringert wird.

Die Regelung der Kühlluft in Abhängigkeit von der Gastemperatur kann vor oder hinter der Türbine erfolgen.

Durch die Erfindung ist es möglich, die Kühlluft so zu regeln, daß jeweils nur so viel Kühlluft dem Turbinenläufer bzw. den sonst zu kühlenden Teilen der Turbine zugeführt wird, als notwendig ist, um die Schaufeltemperatur innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten. Diese Regelung führt gleichzeitig zu einer Verbesserung des Verdichterwirkungsgrades bei Teillast, da durch das Absperren der Kühlluft die insgesamt zu liefernde

ίο Luftmenge verringert wird.

Man erhält somit bei Teillast den Wirkungsgrad einer Gasturbine ohne Kühlung, während die für die Kühlung erforderliche Energie nur im Bereich hoher Leistungen aufgewendet werden muß.

Als besonders vorteilhaft wird hierbei eine Regelung der Kühlluft in direkter oder indirekter Abhängigkeit von der Schaufeltemperatur derart angestrebt, daß diese im wesentlichen konstant bleibt.

Es sind Gasturbinenanlagen bekannt, bei denen die der Turbine vorgeschaltete Brennkammer durch Kühlluft gekühlt wird, welche der Verbrennungsluft hinter dem Gebläse entnommen wird. Die durch einen Mantel der Brennkammer strömende Kühlluft wird hierbei in Abhängigkeit von der Temperatur einer Brennkammerwandung sowie gleichzeitig in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen Gas und Kühlluft geregelt. Die Kühlluft wird nach Durchströmen des Mantels den Brenngasen vor der Turbine wieder zugeführt. Eine unmittelbare Kühlung der Turbinenschaufeln findet jedoch nicht statt, so daß auch die Gefahr einer Überhitzung der Schaufeln nicht beseitigt ist. Dies um so mehr, als die Abhängigkeit der Kühlluftregelung von der Temperatur einer Brennkammerwandung nicht einer Abhängigkeit von der Schaufeltemperatur gleichzusetzen ist.

Des weiteren ist es bekannt, Preßluftkammern von Turbinen durch einen Kühlluftmantel zu kühlen, bei welchem die Kühlluft gleichzeitig mit der Verbrennungsluft und dem Brennstoff derart geregelt wird, daß die Luft- bzw. Brennstoffzufuhr bei zu hohem Druck automatisch ganz oder teilweise unterbrochen wird. Die durch den Kühlmantel strömende Kühlluft wird nach Expansion den Brenngasen vor der Turbine wieder zugeführt. Erfindungsgemäß kann die Regelung der Schaufelkühlung statt unmittelbar von der Gasturbine oder zusätzlich hierzu in Abhängigkeit von der Turbinendrehzahl oder in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von solchen Betriebsgrößen, z. B. dem Druck am Eintritt in die Turbine, dem atmosphärischen Druck, der Temperatur der in den Verdichter eintretenden Luft od. dgl. — insbesondere auch in Kombination miteinander — erfolgen, welche die Temperatur des in die Turbine' eintretenden Gases beeinflussen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele

der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι eine Regelung der Kühlluft in Abhängigkeit von der Temperatur des Gases hinter der Turbine und

Fig. 2 eine Regelung der Kühlluft in direkter Abhängigkeit von der Temperatur einer Leitschaufel.

In Fig. ι ist 12 die Gasturbinenwelle mit dem Hauptluftverdichter 14 und der Gasturbine iö mit den Leitschaufeln i6' bzw. den Laufschaufeln 16". Die aus dem Hauptluftverdichter 14 austretende Verbrennungsluft wird über einen Wärmetauscher 19 und eine Eintrittsleitung 20 mit der Brennkammer 21 zur Gasturbine 16 geleitet, von wo die Abgase über die Ableitung 23 und den Wärmetauscher 19 zur Austrittsleitung 24 gelangen.

Die Kühlluft wird hinter dem Hauptluftverdichter 14 über eine Leitung 25 abgezweigt und nach Durchtritt durch einen Vorkühler 28 von einem von der Welle 12 über einen Zweigantrieb 27 angetriebenen Zusatzverdichter 26 auf hohen Druck gebracht. Die unter Druck stehende Kühlluft wird hierbei einerseits über die Leitung 29 und 31 zu den Leitschaufeln 16', welche nacheinander über den Mantelraum 33 von der Kühlluft durchströmt werden, und anschließend über eine Leitung 35 in die Hauptleitung 20 geleitet. Andererseits gelangt sie über eine Zweigleitung 39 in eine Längsbohrung 40 der Welle 12, von"wo aus die Kühlluft über die Kanäle 41, 42, 43, 44 nacheinander die Laufschaufeln 16" der Turbine durchströmt und hieran anschließend, gegebenenfalls nach Beheizung des Eintrittsleitapparates des Verdichters 14, zweckmäßig ebenfalls in die Hauptleitung 20 geleitet wird. Statt in Parallelströmen kann die Kühlluft die Leit- und Laufschaufeln auch in Reihe nacheinander durchströmen.

In der Leitung 25 ist ein Regel- oder Abschaltventil 51 angeordnet, welches der Temperatur des aus der Turbine austretenden Gases unterworfen ist. In der gezeichneten Stellung ist angenommen, daß die Gase eine solche Temperatur haben, daß der Thermostat 53 voll ausgedehnt ist. In dieser Stellung ist das Regelventil 51 voll geöffnet, so daß die Höchstkühlluftmenge vom Zusatzverdichter 26 durch das Kühlsystem der Gasturbine geleitet wird.

Sinkt die Temperatur der aus der Turbine austretenden Gase unter einen bestimmten Wert, so zieht sich der Thermostat 53 zusammen und drosselt durch Verstellung des Regelventils in entsprechendem Maße die Leitung 25, so daß ständig weniger Kühlluft vom Zusatzverdichter 26 geliefert wird. Statt kontinuierlich kann der Thermostat den Kühlstrom auch stufenweise oder ruckartig unterbrechen, gegebenenfalls auch dadurch, daß durch den Thermostaten eine Kupplung betätigt wird, welche beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur den Zusatzverdichter 26 vom Antrieb 27 abschaltet.

Statt in Abhängigkeit von der durch die Ableitung 23 aus der Turbine austretenden Gase kann die Regelung auch in Abhängigkeit von der Gastemperatur in der Haupteinlaßleitung 20 vor dem Eintritt in die Turbine erfolgen.

In Fig. 2 ist eine Regelung der Kühlwirkung durch Verstellung des Drosselorgans 51' in der Leitung 25 in direkter Abhängigkeit von der Temperatur einer Leitschaufel 16' der Turbine dargestellt. Zu diesem Zweck ist ein Thermostat 53' unmittelbar an. einer Leitschaufel 16' angeordnet. Der Thermostat betätigt hierbei über ein geeignetes Gestänge einen Schieber 54, welcher ein bei 55 zugeleitetes Druckmittel entweder über 56 oder über 57 dem Zylinder 58 zuleitet, in welchem ein das Drosselorgan 51' betätigender Kolben 59 gleitet. In der einer hohen Temperatur der Leitschaufel 16' entsprechenden Lage des Thermostaten 53' befindet sich der Schieber 54 in der gezeichneten linken Endstellung. Das Druckmittel gelangt infolgedessen auf die linke Seite des Kolbens 59, wodurch die Drossel 51' in geöffneter Lage gehalten wird.

Sinkt die Temperatur der Leitschaufel 16', so verschiebt sich der Schieber 54 nach rechts, wodurch die rechte Seite des Kolbens 59 Druck erhält, während die linke Seite des Kolbens mit dem Außendruck in Verbindung gebracht wird. Dadurch schließt sich die Drosselklappe 51' und die Kühlwirkung auf die Schaufeln wird herabgesetzt, bis die Temperatur der Schaufeln wieder den zuverlässigen Grenzwert überschreitet. In diesem Augenblick wird wieder die linke Seite des Kolbens 59 mit dem Druckmittel in Verbindung gebracht, und die Drosselklappe 51' wieder geöffnet. Da mit absinkender Drehzahl der Turbinenwelle 12 auch die geförderte Kühlluftmenge sich verringert, kann eine zusätzliche Regelung in Abhängigkeit von der Drehzahl vorgesehen sein, zu dem Zweck, die Kühlluftmenge unabhängig von der Drehzahl möglichst konstant zu halten. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß in dem Gestänge 52 ein Ausgleichhebel angeordnet wird, dessen einer Hebelarm mit der Drosselklappe 51 und dessen anderer Hebelarm mit dem Thermostaten 53 verbunden wird, während der Drehpunkt des Hebels unter dem Einfluß des Drehzahlreglers verstellbar ist. Doch kann eine Regelung in direkter oder indirekter Abhängigkeit von der Gas- bzw. Schaufeltemperatur durch geeignete Berücksichtigung aller Betriebsgrößen auch in beliebiger anderer, geeigneter Weise erreicht werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Verfahren zur Luftkühlung für die Schaufeln von Gasturbinen mit der Verbrennungsluft in oder nach einem Luftverdichter entnommener Kühlluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der der Verbrennungsluft entnommenen Kühlluft in Abhängigkeit unmittelbar von der Gastemperatur bzw. der Temperatur der Turbinenschaufeln geregelt wird, derart, daß nur bei hoher Belastung bzw. hoher Temperatur die Kühlung mittels der durch die Turbinenschaufeln geleiteten Kühlluft wirksam ist bzw. die volle Kühlluftmenge geliefert wird, daß jedoch bei Teillast bzw. geringer Gas- oder Schaufeltemperatur die Kühlluftmenge auf einen Teilwert bzw. auf Null verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Kühlluft in Abhängigkeit von der Gastemperatur vor der Turbine erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Kühlluft in Abhängigkeit von der Gastemperatur hinter der Turbine erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Regelung der Kühlluft in direkter oder indirekter Abhängigkeit von der Schaufeltemperatur derart, daß diese im wesentlichen konstant gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, insbesondere mit Regelung der Kühlluft in Abhängigkeit von der Gastemperatur hinter der Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung zusätzlich in Abhängigkeit von der Turbinendrehzahl erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch. 1, dadurch ge- 8g kennzeichnet, daß die Regelung statt unmittelbar von der Gastemperatur oder zusätzlich hierzu in Abhängigkeit von solchen Betriebsgrößen, z. B. dem Druck am Eintritt in die Turbine, dem atmosphärischen Druck, der Temperatur der in den Verdichter eintretenden Luft, und in solcher Kombination erfolgt, wie diese Betriebsgrößen die Temperatur des in die Turbine eintretenden Gases beeinflussen.

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In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 861485;

britische Patentschrift Nr. 598528;

USA.-Patentschrift Nr. 2353929;

Eyermann und Schulz: »Die Gasturbinen«, 2. Auflage, Berlin 1920, S. 118, 119;

»Automobiltechn. Handbuch« von Richard Bussien, 16. Auflage, 1945, S. 1192, 1193.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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