EP0447886A1 - Axial flow gas turbine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine axialdurchströmte Gasturbine, im wesentlichen bestehend aus einer mehrstufigen Turbine, welche unter anderm einen auf einer gemeinsamen Welle angeordneten Verdichter antreibt,
- bei welcher der zwischen Turbine und Verdichter liegende Wellenteil eine Trommel ist, die von einer Trommelabdeckung umgeben ist, und bei welcher der zwischen Trommel und Trommelabdeckung gebildete Ringkanal die Führung der aus dem Verdichter entnommenen Kühlluft zur Stirnseite des Turbinenrotors und daran anschliessend zu deren rotorseitigen Kühlkanälen übernimmt,
- und wozu zur Dichtung zwischen den Druckniveaus am Austritt des Verdichters und am Eintritt der Kühlluft in die Turbine auf der Trommel eine gegen die Trommelabdeckung dichtende Labyrinthdichtung angeordnet ist,
- wobei die gesamte rotorseitige Kühlluft für die Turbine dem Verdichter im Bereich des Verdichteraustritts entnommen wird.
- in which the shaft part lying between the turbine and the compressor is a drum, which is surrounded by a drum cover, and in which the ring channel formed between the drum and the drum cover takes over the routing of the cooling air removed from the compressor to the front side of the turbine rotor and then to the rotor-side cooling channels thereof ,
- and for what purpose a labyrinth seal sealing against the drum cover is arranged on the drum between the pressure levels at the outlet of the compressor and at the inlet of the cooling air into the turbine,
- the entire rotor-side cooling air for the turbine is taken from the compressor in the region of the compressor outlet.
Derartige Gasturbinen sind bekannt. Die gesamte rotorseitige Kühlluft wird aus dem Sammelraum zwischen Verdichter und Turbine entnommen; der überwiegende Teil davon strömt direkt über ein Beschleunigungsgitter in die Rotorkühlkanäle ein. Hierbei befindet sich das Beschleunigungsgitter in der Regel auf dem gleichen Radius wie die Rotorkühlkanäle an der Stirnseite des Turbinenrotors. Der kleinere Anteil Kühlluft, d.h. die zur Kühlung der letzten Verdichterscheibe sowie der Trommel und der ersten Turbinenscheibe notwendige Luft muss zur Wahrnehmung der Kühlfunktion in einem Kühler rückgekühlt werden, bevor er drallfrei in den Ringkanal eingeleitet wird. Diese Lösung hat eine Reihe von Unzulänglichkeiten zur Folge.
- Zum einen hat die Kühlluft, da aus dem Sammelraum entnommen, nicht die höchstmögliche und erwünschte Reinheit, wie es insbesondere die feinen Schaufelkühlkanäle verlangen.
- Zum andern wird ein separater, kostspieliger Apparat für die Rückkühlung benötigt.
- Ferner wird dieser kleinere, rückgekühlte Luftanteil infolge der konvektiven Aufheizung auf seinem Weg bis zum Eintritt in den Ringkanal wiederum stark aufgeheizt, wodurch die Kühlwirkung reduziert wird.
- Zudem bewirkt die drallfreie Einführung der Luft eine zusätzliche Erhöhung der adiabaten Wandtemperatur in den betroffenen Bereichen.
- Schliesslich bewirkt die drallfreie Einführung der Kühlluft in den Ringkanal ausserdem eine hohe Wärmeübergangszahl α im ganzen beaufschlagten Rotorbereich, was zusammen mit der erwähnten erhöhten Kühllufttemperatur hohe transiente Spannungen verursachen kann.
- Ueberdies ergeben sich im Bereich des Trommellabyrinthes extrem hohe α-Zahlen mit den bekannten Nachteilen.
- Bei diesen bekannten Gasturbinen wird bewusst eine Rückströmung, d.h. eine Einströmung von ruckgekühlter Luft aus dem Ringkanal in den Hauptkanal des Verdichters hinter dessen letzte Laufreihe in Kauf genommen. Es versteht sich, dass durch diese Massnahme eine nicht unbeträchtliche Störung des Hauptströmung erfolgt.
- Dadurch, dass die Einströmung in die Rotorkühlkanäle zwangsläufig mit geringen Drall erfolgt, muss der Rotor Pumparbeit leisten, was die Kühllufttemperatur weiterhin anhebt.
- On the one hand, the cooling air, since it is removed from the collecting space, does not have the highest possible and desired purity, as required in particular by the fine blade cooling channels.
- Secondly, a separate, costly apparatus for recooling is required.
- Furthermore, this smaller, recooled portion of air is again heated up strongly as a result of the convective heating on its way to the entry into the ring channel, as a result of which the cooling effect is reduced.
- In addition, the swirl-free introduction of air causes an additional increase in the adiabatic wall temperature in the affected areas.
- Finally, the swirl-free introduction of the cooling air into the ring channel also results in a high heat transfer coefficient α in the entire rotor area, which, together with the increased cooling air temperature mentioned, can cause high transient voltages.
- In addition, extremely high α numbers result in the area of the drum labyrinth with the known disadvantages.
- In these known gas turbines, a backflow, that is to say an inflow of recooled air from the annular duct into the main duct of the compressor behind its last running row, is accepted. It goes without saying that this measure causes a not inconsiderable disturbance of the main flow.
- Because the inflow into the rotor cooling channels inevitably takes place with little swirl, the rotor has to do pumping work, which further increases the cooling air temperature.
Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Desweiteren liegt ihr noch die zusätzliche Aufgabe zugrunde, bei axial durchströmten Gasturbinen der eingangs genannten Art, welche turbinenseitig grossdimensionierte Rotorstirnflächen aufweisen, den Axialschub zu verringern.The invention tries to avoid all these disadvantages. Furthermore, it is based on the additional task of reducing the axial thrust in the case of axially flowing gas turbines of the type mentioned at the outset, which have large rotor end faces on the turbine side.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die rotorseitige Kühlluft für die Turbine nach der letzten Laufreihe des Verdichters an dessen Nabe entnommen und mit dem ihr anhaftenden Drall unmittelbar in den Ringkanal geleitet wird, und dass diese Kühlluft innerhalb des Ringkanals in einem Drallgitter umgelenkt und auf höchstmögliche Tangentialgeschwindigkeit beschleunigt wird.According to the invention, this is achieved in that the rotor-side cooling air for the turbine is removed from the compressor after the last run row of the compressor at its hub and is passed directly into the ring duct with the swirl adhering to it, and in that this cooling air is deflected within the ring duct in a swirl grille and to the highest possible Tangential speed is accelerated.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem im Wegfall des bisher üblichen aufwendigen Kühlers einerseits und der geringen transienten Spannungen im umspülten Wellenbereich andererseits zu sehen.The advantages of the invention can be seen, inter alia, in the elimination of the previously required complex cooler, on the one hand, and the low transient voltages in the washed-around wave range, on the other.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die rotorseitige Kühlluft nach der letzten Laufreihe des Verdichters an dessen Nabe entnommen wird und mit dem ihr anhaftenden Drall in den Ringkanal geleitet wird. Hierdurch wird zum einen gewährleistet, dass die Aufheizung des Rotors über die Kühlluft und somit das Niveau der transienten Spannungen kleinstmöglich ist. Darüberhinaus wird durch die nabenseitige Entnahme reinstmögliche, nahezu staubfreie Luft in den Ringkanal eingeleitet.It is particularly expedient if the cooling air on the rotor side is removed from the compressor after the last running row of the compressor and is passed into the ring channel with the swirl adhering to it. This ensures, on the one hand, that the heating of the rotor via the cooling air and thus the level of the transient voltages is as small as possible. In addition, the purest possible, almost dust-free air is introduced into the ring channel through the hub-side removal.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Drallgitter im Ringkanal auf einem kleinstmöglichen Radius und möglichst in unmittelbarer Nähe des Radseitenraumes angeordnet ist. Hierbei orientiert sich der kleinstmögliche Radius an der an dieser örtlichen Stelle vorliegenden Schallgeschwindigkeit. Man hat somit ein Mittel in der Hand, den Axialschub zu reduzieren.It is also advantageous if the swirl grille is arranged in the ring channel on the smallest possible radius and as close as possible to the wheel side space. The smallest possible radius is based on the speed of sound at this local point. You thus have a means to reduce the axial thrust.
Schliesslich wird mit Vorteil die gegen die Trommelabdeckung dichtende Labyrinthdichtung zur Senkung der Wärmeübergangszahl α rotorseitig in Segmente unterteilt. Dadurch wird die Wirkung der in Labyrinthen üblicherweise extrem hohen α-Werte unterbunden.Finally, the labyrinth seal that seals against the drum cover is advantageously divided into segments on the rotor side to reduce the heat transfer coefficient α. This prevents the effects of the α values, which are usually extremely high in labyrinths.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einwelligen axialdurchströmten Gasturbine dargestellt.
Es zeigen:
- Fig.1
- einen Teillängsschnitt der Gasturbine;
- Fig.2
- die teilweise Abwicklung eines Zylinderschnittes auf mittlerem Durchmesser des durchströmten Ringkanals;
- Fig.3
- einen Teilquerschnitt durch die Trommel in der Ebene des Labyrinthes.
Show it:
- Fig. 1
- a partial longitudinal section of the gas turbine;
- Fig. 2
- the partial settlement of a cylindrical section on the medium diameter of the flow through the annular channel;
- Fig. 3
- a partial cross section through the drum in the plane of the labyrinth.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise das Abgasgehäuse der Gasturbine mit Abgasrohr und Kamin sowie die Eintrittspartien des Verdichterteils. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.Only the elements essential for understanding the invention are shown. The system does not show, for example, the exhaust gas casing of the gas turbine with the exhaust pipe and chimney, and the inlet parts of the compressor part. The direction of flow of the work equipment is indicated by arrows.
Die Turbine 1, von der in Fig.1 lediglich die erste axialdurchströmte Stufe 2 in Form einer Leit- und einer Laufreihe dargestellt ist, besteht im wesentlichen aus dem beschaufelten Rotor 3 und dem mit Leitschaufeln bestückten Schaufelträger 4. Der Schaufelträger ist im Turbinengehäuse 5 eingehängt. Im dargestellten Fall umfasst das Turbinengehäuse 5 ebenfalls den Sammelraum 6 für die verdichtete Brennluft. Aus diesem Sammelraum gelangt die Brennluft in die Ringbrennkammer 7, welche ihrerseits in den Turbineneinlass, d.h. stromaufwärts der ersten Leitreihe mündet. In den Sammelraum gelangt die verdichtete Luft aus dem Diffusor 8 des Verdichters 9. Von letzterem ist lediglich die letzte Stufe 10 dargestellt, wobei die Leitbeschaufelung dieser letzten Stufe aus der eigentlichen Leitreihe und der Nachleitreihe besteht. Die Laufbeschaufelung des Verdichters und der Turbine sitzen auf einer gemeinsamen Welle 11, wobei der zwischen Turbine und Verdichter befindliche Teil als Trommel 12 ausgebildet ist.
Diese Trommel ist in ihrer ganzen axialen Erstreckung von einer Trommelabdeckung 13 umgeben, welche über Rippen 14 mit dem Diffusoraussengehäuse 15 des Verdichters befestigt ist. Diese Trommelabdeckung bildet verdichterseitig das Deckband für die Schaufeln der beiden letzten Verdichterleitreihen. Turbinenseitig begrenzt die Trommelabdeckung zusammen mit der Stirnseite 16 des Turbinenrotors einen radial verlaufenden Radseitenraum 17.The turbine 1, of which only the first axially flowed
This drum is surrounded in its entire axial extent by a
Dieser Raum 17 bildet das austrittsseitige Ende eines Ringkanals 18, welcher, ausgehend von der Nabe hinter der letzten Verdichterlaufreihe, zwischen Trommelabdeckung und Trommel verläuft. In diesen Ringkanal wird die gesamte rotorseitige Kühlluft eingeleitet. Bei der Dimensionierung des Ringkanals 18 ist wegen der darin herrschenden drallbehafteten Strömung folgendes zu beachten: Damit die Drallströmung entlang der Trommel nicht instabil wird, müssen Normal- und Tangentialgeschwindigkeit der Kühlluft sowie mittlerer Kanalradius und Kanalhöhe in einer gewissen Relation zueinander stehen, wie es aus der Theorie der Drallströmung bekannt ist.This
Am turbinenseitigen Ende ist auf der Trommel ein gegen die Trommelabdeckung dichtendes Labyrinth 19 angeordnet. Das Labyrinth dichtet indes nur mittelbar gegen die Trommelabdeckung. Sein nichtrotierender Teil ist in einem Labyrinthkörper 24 auf geeignet Art befestigt. Zur Senkung der Wärmeübergangszahl α ist das Labyrinth rotorseitig in eine Anzahl an der Trommeloberfläche angeordneter Segmente unterteilt. In Fig.3 ist die Segmentierung des Labyrinthes 19 dargestellt. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um axialgerichtete Hammerkopfnuten 21, welche in einen Bund 22 der Trommel 12 hineingearbeitet sind. In diese Nuten sind sogenannte Wärmestausegmente 20 mit entsprechend konfigurierten Füssen 23 eingehängt. Gegen die in den Ringkanal ragenden Aussenflächen der Wärmestausegmente wirken in Fig.3 nicht dargestellte metallische Dichtstreifen, welche beispielsweise im Labyrinthkörper 24 eingestemmt oder auf sonstige Art befestigt sein können.At the end on the turbine side, a
Gemäss der Erfindung soll nunmehr innerhalb des Ringkanals 18 die Kühlluft in einem Drallgitter umgelenkt und auf höchstmögliche Tangentialgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dieses Drallgitter 25 ist im Ringkanal in Form von Dralldüsen unmittelbar gegenüber der Stirnseite 16 des Turbinenrotors vorgesehen, d.h. es mündet direkt in den Radseitenraum 17. Aus später zu erläuternden Gründen ist es zweckmässig, das Drallgitter auf dem kleinstmöglich Radius anzuordnen.According to the invention, the cooling air is now to be deflected in a swirl grille within the
Um den Labyrinthkörper 24 in seiner Lage zu halten, ist er über mehrere am Umfang verteilte strömungsorientierte Tragrippen 26 mit der Trommelabdeckung 13 verbunden.In order to hold the
Der Zylinderschnitt in Fig. 2 zeigt in vergrössertem Masstab den Schaufelplan über dem Labyrinthkörper 24. Hierin bedeuten c die Absolutgeschwindigkeit der Kühlluft und u die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors. Zwecks Angabe der Grössenordnung bei einem ausgeführten Beispiel beträgt das Verhältnis Teilung zu Sehne bei den Tragrippen 26 beispielsweise 1,2 und bei den Dralldüsen 25 ca. 0.85. Bei den Tragrippen 26 handelt es sich lediglich um Strömungsrippen mit symmetrischen Profil, in denen der Strömung weder eine Aenderung der Geschwindigkeit noch der Richtung aufgezwungen wird. Die Strömung verlässt die Tragrippen mit der Geschwindigkeit c und einem Winkel von ca. 20° gegen die Umfangsrichtung.The cylinder section in FIG. 2 shows the blade plan over the
Bei den Dralldüsen handelt es sich um ein Beschleunigungsgitter mit geringer Krümmung der Skelettlinie, welches die Strömung von nunmehr ca. 25° auf ca. 10° umlenkt und die Geschwindigkeit von ca. 120 auf ca. 420 m/sec steigert.The swirl nozzles are an acceleration grille with a slight curvature of the skeleton line, which redirects the flow from now approx. 25 ° to approx. 10 ° and increases the speed from approx. 120 to approx. 420 m / sec.
Die Wirkungsweise der Erfindung wird nachstehend anhand eines Zahlenbeispieles erläutert: Es versteht sich, dass auf die Bekanntgabe von allen den Berechnungen und Versuchen zugrundeliegenden Absolutwerten verzichtet wird, da diese wegen ihrer Abhängigkeit von allzu zahlreichen Parametern ohnehin ungenügende Aussagekraft besitzen würden.The mode of operation of the invention is explained below with the aid of a numerical example: It goes without saying that the disclosure of all absolute values on which the calculations and tests are based is dispensed with, since these would in any case have insufficient informative value because of their dependence on too many parameters.
Die gesamte für die Rotorkühlung erforderliche Kühlluft d.h. ca. 8% der verdichteten Luft wird hinter der letzten Laufreihe im Bereich der Nabe entnommen. Durch den Ringkanal 18 strömt die drallbehaftete Kühlluft bis vor das Trommellabyrinth 19. Durch den vom Verdichter her vorgegebenen Drall wird sichergestellt, dass infolge der kleinen Relativgeschwindigkeit zwischen Rotoroberfläche und Kühlluft minimale Wärmeübergangszahlen und tiefstmögliche adiabate Wandtemperaturen erreicht werden. Dies wiederum hat niedrige transiente Spannungen und tiefstmögliche stationäre Temperaturen im betrachteten Bereich zur Folge.The total cooling air required for rotor cooling i.e. Approx. 8% of the compressed air is taken from behind the last row in the area of the hub. The swirling cooling air flows through the
Durch das Labyrinth 19 strömt lediglich die unvermeidliche Leckmenge. Es ist nicht zu umgehen, dass im Labyrinth die Tangentialgeschwindigkeit auf ca. 50% der dortigen Umfangsgeschwindigkeit abgebaut wird. Damit geht bereits ein Teil der obengenannten positiven Drallwirkung verloren. Durch die spezifische Strömungsform im Labyrinth wird zudem der α-Wert erhöht. Abhilfe wird hier geschaffen durch die Segmentierung des rotorseitigen Labyrinthteiles, welche den Wärmefluss in die Trommel stark vermindert. Durch die Tatsache der Drallreduktion innerhalb des Labyrinthes ist es wichtig, dass der auf das Labyrinth folgende Teil des Ausströmkanals 27 so kurz wie möglich bemessen wird, d.h. das Labyrinth ist möglichst nahe an die erste Turbinenscheibe zu verlegen.Only the inevitable amount of leakage flows through the
Der Hauptteil der Rotorkühlluft wird über die strömungsorientierten Tragrippen 26 des Labyrinthkörpers 24 in die Dralldüsen 25 geführt. In diesen erfolgt eine Beschleunigung der Kühlluft bis nahe an die Schallgeschwindigkeit bei gleichzeitiger leichter Umlenkung in Rotordrehrichtung. Die Abströmung aus dem Drallgitter erfolgt dabei nahezu tangential, d.h. ca. 10° zur Umfangsrichtung.The main part of the rotor cooling air is guided into the
Zum einen wirkt sich dieser hoher Drall wiederum positiv auf den Wärmeübergang aus, wie bereits oben beschrieben. Vorteilhafte Werte können erzielt werden, wenn am Eintritt der Kühlluft in den Rotor das Verhältnis Tangentialgeschwindigkeit zu Umfangsgeschwindigkeit um ca. 1 beträgt. Dies bedeutet, dass beim Einströmen in den Rotorkühlkanal kein Arbeitsaustausch erfolgt, d.h. dass dem Rotor weder Arbeit entzogen noch hinzugefügt wird. Insbesondere wird auch die Temperatur der Kühlluft durch Pumparbeit nicht erhöht.On the one hand, this high swirl has a positive effect on the heat transfer, as already described above. Advantageous values can be achieved if the ratio of tangential speed to peripheral speed is around 1 at the entry of the cooling air into the rotor. This means that there is no work exchange when flowing into the rotor cooling duct, i.e. that no work is removed or added to the rotor. In particular, the temperature of the cooling air is not increased by pumping.
Darüberhinaus wird durch das hohe Geschwindigkeitsniveau der statische Druck am Austritt aus dem Drallgitter stark herabgesetzt. Im Radseitenraum herrscht somit ein niedrigerer mittlerer Druck, wodurch der Axialschub des Rotors erniedrigt wird.In addition, the static pressure at the outlet from the swirl grille is greatly reduced by the high speed level. There is therefore a lower mean pressure in the wheel side space, as a result of which the axial thrust of the rotor is reduced.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. In Abweichung von der Lösung der getrennten Tragrippen und Dralldüsen ist durchaus eine Ausbildung denkbar, bei welcher diese beiden Elemente in einem einzigen Gitter vereinigt werden.Of course, the invention is not limited to the exemplary embodiment shown and described. In a departure from the solution of the separate support ribs and swirl nozzles, an embodiment is quite conceivable in which these two elements are combined in a single grid.
Claims (4)
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