EP1170464A2 - Vorrichtung zum Kühlen eines ungleichmässig stark temperaturbelasteten Bauteils - Google Patents

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EP1170464A2 EP01113867A EP01113867A EP1170464A2 EP 1170464 A2 EP1170464 A2 EP 1170464A2 EP 01113867 A EP01113867 A EP 01113867A EP 01113867 A EP01113867 A EP 01113867A EP 1170464 A2 EP1170464 A2 EP 1170464A2
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Emil Aschenruck
Hildegard Ebbing
Klaus Dieter Mohr
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MAN Turbomaschinen AG GHH Borsig
MAN Turbomaschinen AG
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    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
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    • F01D9/023—Transition ducts between combustor cans and first stage of the turbine in gas-turbine engines; their cooling or sealings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling a symmetrical, due to high temperatures over the circumference component of a turbine system subjected to unevenly heavy loads with the features of the preamble of claim 1.
  • Such components are at different points in gas and steam turbine systems are provided.
  • a special The application is the two-armed, with two inlet sockets Provided gas manifold, also called downpipe, the in Gas turbine plants between the combustion chamber housings and the The inlet nozzle of the turbine blades is arranged (DE-OS 198 15 473). Due to the special shape of the inlet nozzle this gas manifold are in its outlet cross section middle areas are much more thermally stressed than the upper and lower area.
  • the outlet cross-section is cooled by cooling air is guided along the side facing away from the hot gas.
  • This Cooling air is taken from the compressor of the gas turbine system.
  • the Amount of cooling air limited by slots in the annular inner flange of the gas collecting tube are arranged, which is connected to the counter flange of the turbine. This Slots are even in the known gas turbine system distributed over the circumference of the inner flange. by virtue of the asymmetrical application of temperature by the of the hot gas flows coming in both combustion chambers in combination with the symmetrical cooling air distribution results in Circumferential direction on the inner flange of the gas manifold uneven material temperature.
  • the invention has for its object the cooling of non-uniformly thermally stressed, generic components to equalize without additional effort.
  • the intensity of convection cooling by the cooling air in the Exit cross section is determined by the speed and the amount of cooling air that flows along there. With that at all Cooling air flows, there is a pressure difference ⁇ p above that slotted annular inner flange required.
  • the Cooling air flows through the circumference of the inner flange arranged slots.
  • the ring-shaped inner flange of the component thus represents Throttle body for the amount of cooling air.
  • Cooling air that normally cools areas that are low Temperature exposure have led to the areas that are exposed to higher temperatures.
  • This increases the Material temperature of the outlet cross section in the cold Zones.
  • the temperatures drop in the two hot ones Zones so that considered on the perimeter. an almost gives a uniform temperature profile.
  • the resulting from the measures according to the invention are a reduction in local, life-limiting material temperature, in one Uniformization of the temperature distribution, in a reduction of temperature tensions, in an improvement in temperature and corrosion resistance and in an increase in Component life.
  • Another advantage is that no increased Cooling air required. With the previously known and methods used to meet temperature peaks in Components that are subject to high temperatures are usually the additional cooling air is supplied to hot zones. This additional Cooling air is usually not available, however, or it leads to a reduction in the efficiency of the machine.
  • the component shown as an example in the drawing is a Hot gas leading two-armed gas manifold 1, the inside a gas turbine plant between those not shown Combustion chamber housings and the inlet port of the not shown Turbine blades are arranged.
  • the gas manifold 1 is with two inlet ports 2 for the hot gas from the combustion chambers Mistake.
  • the inlet ports open into a gas collecting space 3 in lower part of the gas collecting tube 1.
  • the gas manifold 1 is with an outer ring flange 4 and an inner ring flange 5 provided, which are connected to the counter flanges of the gas turbine become.
  • the compressed hot gas flows out of the combustion chambers through the inlet nozzle 2 of the gas manifold 1 and is in the gas plenum 3 merged and collected before being in the gas turbine flows and the turbine rotor with the Rotating blades.
  • the inlet nozzle 2 Due to the design of the inlet nozzle 2 is the Gas collecting chamber 3 of the two-armed gas collecting tube 1 through the introduced hot gas unevenly thermally loaded. There are the middle areas, the 3 o'clock and 9 o'clock positions correspond, more heavily burdened than the upper and the lower area of the gas collecting space 3 according to the 6 o'clock and the 12 o'clock position.
  • the entire gas collecting tube 1 is outside by compressor air convectively cooled, the compressor of the gas turbine plant is removed.
  • This cooling air is used on the Inner cone 6 of the gas collecting space 3 is guided along.
  • To this Purpose are in the inner ring flange 5, which as a ring in the Flow path of the cooling air protrudes, slots 7 or others Openings attached.
  • the cooling air flows through these slots 7 from.
  • the driving force for the flow of cooling air is one Pressure difference, which is on both sides of the slotted inner ring flange 5 builds.
  • the slots 7 are uneven in the inner ring flange 5 distributed over its circumference. As from Fig. 2 too can be seen, the distance of the slots 7 from each other in the Sections of the inner ring flange 5 largest, the most strongest thermally stressed areas of the gas collecting space 3 are neighboring. These are the areas that the 3 o'clock and the Correspond to 9 o'clock position. In those sections of the inner ring flange 5, which the least heavily loaded Regions of the gas collecting space 3 are adjacent, the distance the slots 7 from each other largest. Based on these Distribution of the slots 7, the cooling air flows along increasingly the most thermally stressed areas of the Gas collection room 3.
  • the width of the slots 7 in the Ways can be varied so that the slots 7 over the circumference of the Ring flange 5 have a different width and that the width of the slots 7 in the sections of the ring flange 5th is larger, the more heavily used areas of the Gas collecting tube 1 are adjacent.
  • the slots 7 of different widths evenly or as before for the slots 7 of equal width is explained, unevenly over the The circumference of the inner ring flange 5 can be distributed.

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Abstract

Ein symmetrisches Bauteil einer Turbinenanlage, dessen Wand auf der einen Seite durch ein heißes Medium beaufschlagt und dabei über den Umfang thermisch ungleichmäßig stark belastet ist, wird dadurch gekühlt, dass an der anderen Seite des Bauteiles ein Strom von Kühlluft entlang geführt wird. In den Strom der Kühlluft ragt ein mit dem Bauteil verbundener Ring (5) hinein, der mit Schlitzen (7) oder anderen Öffnungen für den Durchtritt der Kühlluft versehen ist. Der Gesamtquerschnitt der Schlitze (7), die in den Abschnitten des Ringes (5) angebracht sind, die den stärker belasteten Bereichen des Bauteiles benachbart sind, ist größer als der Gesamtquerschnitt der Schlitze (7), die in den Abschnitten des Ringes (5) angebracht sind, die den weniger stark belasteten Bereichen des Bauteiles benachbart sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines symmetrischen, durch hohe Temperaturen über den Umfang ungleichmäßig stark belasteten Bauteiles einer Turbinenanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Derartige Bauteilen sind an unterschiedlichen Stellen in Gas- und Dampfturbinenanlagen vorgesehen. Ein besonderer Anwendungsfall ist das zweiarmige, mit zwei Eintrittsstutzen versehene Gassammelrohr, auch Hosenrohr genannt, das in Gasturbinenanlagen zwischen den Brennkammergehäusen und dem Eintrittsstutzen der Turbinenschaufeln angeordnet ist (DE-OS 198 15 473). Aufgrund der besonderen Form der Eintrittsstutzen dieses Gassammelrohres sind in dessen Austrittsquerschnitt die mittleren Bereiche wesentlich stärker thermisch belastet als der obere und der untere Bereich.
Gekühlt wird der Austrittsquerschnitt dadurch, dass Kühlluft auf der dem Heißgas abgewandten Seite entlang geführt wird. Diese Kühlluft wird dem Kompressor der Gasturbinenanlage entnommen. Bei einer aus der Praxis bekannten Gasturbinenanlage wird die Menge der Kühlluft durch Schlitze begrenzt, die in dem ringförmigen Innenflansch des Gassammelrohres angeordnet sind, der an den Gegenflansch des Turbine angeschlossen ist. Diese Schlitze sind bei der bekannten Gasturbinenanlage gleichmäßig über den Umfang des Innenflansches verteilt angeordnet. Aufgrund der unsymmetrischen Temperaturbeaufschlagung durch die von den beiden Brennkammern kommenden Heißgasströme in Kombination mit der symmetrischen Kühlluftverteilung ergibt sich in Umfangsrichtung am Innenflansch des Gassammelrohrs eine ungleichmäßige Materialtemperatur. Die Lebensdauer solcher hochtemperaturbelasteten Bauteile wird jedoch durch die maximal auftretenden Materialtemperaturen bestimmt, so dass sich die Zonen mit deutlich niedrigeren Temperaturen nicht positiv auf die Lebensdauer auswirken. Das heißt, es wird Lebensdauerpotential aufgrund der ungleichmäßigen Temperaturverteilung verschenkt. Darüber hinaus kann die ungleichmäßige Temperaturverteilung am Umfang zu Verwerfungen und Ausbeulungen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung von ungleichmäßig thermisch belasteten, gattungsgemäßen Bauteilen ohne Mehraufwand zu vergleichmäßigen.
Die genannte Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Bauteil erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Intensität der Konvektionskühlung durch die Kühlluft im Austrittsquerschnitt wird bestimmt durch die Geschwindigkeit und die Menge der Kühlluft, die dort entlang strömt. Damit überhaupt Kühlluft strömt, ist eine Druckdifferenz Δp über dem geschlitzten ringförmigen Innenflansch erforderlich. Die Kühlluft strömt durch die am Umfang des Innenflansches angeordneten Schlitze. Somit beeinflusst die Geometrie der Schlitze selbst sowie deren Anordnung durch die Verteilung auf dem Umfang direkt die Menge und Verteilung der Kühlluft. Der ringförmige Innenflansch des Bauteiles stellt somit das Drosselorgan für die Kühlluftmenge dar. Somit kann eine zielgerichtete, ungleichmäßige, aber angepasste Strömungsverteilung im Austrittsbereich des Bauteiles allein durch die Anordnung und die Geometrie (Größe) der Kühlluftschlitze erreicht werden. Diese angepasste Strömungsverteilung ist möglich, ohne Leitbleche oder Kammern zu verwenden. Es handelt sich hierbei um eine einfache Strömungszwangführung durch eine entsprechende Geometriefestlegung des Drosselorgans für den Austritt der Kühlluft.
Dabei ist besonders zu betonen, dass die Gesamtfläche der Kühlluftschlitze nicht verändert wird, also auch die Kühlluftmenge nicht erhöht wird. Durch diese Maßnahme wird die Kühlluft, die normalerweise Bereiche kühlt, die nur eine geringe Temperaturbelastung haben, zu den Bereichen geführt, die temperaturmäßig höher belastet sind. Dadurch steigt die Materialtemperatur des Austrittsquerschnittes in den kalten Zonen. Jedoch fallen die Temperaturen in den beiden heißen Zonen, so dass sich auf dem Umfang betrachtet. ein nahezu gleichmäßiges Temperaturprofil ergibt.
Die sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergebende Vorteile bestehen in einer Reduzierung der lokalen, lebensdauerbegrenzenden Materialtemperatur, in einer Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung, in einer Reduzierung von Temperaturspannungen, in einer Verbesserung der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit und in einer Erhöhung der Lebensdauer des Bauteiles.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass kein erhöhter Kühlluftbedarf erforderlich. Bei den bisher bekannten und angewendeten Methoden zur Begegnung von Temperaturspitzen in temperaturmäßig hochbelasteten Bauteilen wird in der Regel den heißen Zonen zusätzliche Kühlluft zugeführt. Diese zusätzliche Kühlluft steht aber in der Regel nicht zur Verfügung, oder aber sie führt zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der Maschine.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
die dreidimensionale Ansicht eines thermisch ungleichmäßig belasteten Bauteiles,
Fig. 2
die Vorderansicht zu Fig. 1,
Fig. 3
den Schnitt III - III nach Fig. 2 und
Fig. 4
den Schnitt IV - IV nach Fig. 2.
Das in der Zeichnung beispielhaft dargestellte Bauteil ist ein Heißgas führendes zweiarmiges Gassammelrohr 1, das innerhalb einer Gasturbinenanlage zwischen den nicht gezeigten Brennkammergehäusen und dem nicht gezeigten Eintrittsstutzen des Turbinenschaufeln angeordnet ist. Das Gassammelrohr 1 ist mit zwei Eintrittssutzen 2 für das Heißgas aus den Brennkammern versehen. Die Eintrittstutzen münden in einen Gassammelraum 3 im unteren Teil des Gassammelrohres 1 ein. Das Gassammelrohr 1 ist mit einem äußeren Ringflansch 4 und einem inneren Ringflansch 5 versehen, die an die Gegenflansche der Gasturbine angeschlossen werden. Das komprimierte Heißgas strömt aus den Brennkammern durch die Eintrittssutzen 2 des Gassammelrohres 1 und wird in dem Gassammelraum 3 zusammengeführt und gesammelt, bevor es in die Gasturbine strömt und den Turbinenläufer mit den Laufschaufeln in Rotation versetzt.
Aufgrund der Ausbildung der Eintrittssutzen 2 ist der Gassammelraum 3 des zweiarmigen Gassammelrohres 1 durch das herangeführte Heißgas ungleichmäßig thermisch belastet. Dabei sind die mittleren Bereiche, die der 3-Uhr- und der 9-Uhr-Stellung entsprechen, stärker belastet als der obere und der untere Bereich des Gassammelraumes 3 entsprechend der 6-Uhr- und der 12-Uhr-Stellung.
Das gesamte Gassammelrohr 1 wird durch Verdichterluft außen konvektiv gekühlt, die dem Verdichter der Gasturbinenanlage entnommen wird. Diese Kühlluft wird unter anderem an dem Innenkonus 6 des Gassammelraumes 3 entlang geführt. Zu diesem Zweck sind in dem inneren Ringflansch 5, der als Ring in den Strömungsweg der Kühlluft hineinragt, Schlitze 7 oder andere Öffnungen angebracht. Durch diese Schlitze 7 strömt die Kühlluft ab. Treibende Kraft für den Strom der Kühlluft ist eine Druckdifferenz, die sich zu beiden Seiten des geschlitzten inneren Ringflansches 5 aufbaut.
Die Schlitze 7 sind in dem inneren Ringflansch 5 ungleichmäßig über dessen Umfang verteilt angeordnet. Wie aus der Fig. 2 zu erkennen ist, ist der Abstand der Schlitze 7 voneinander in den Abschnitten des inneren Ringflansches 5 am größten, die den am stärksten thermisch belasteten Bereichen des Gassammelraumes 3 benachbart sind. Dies sind die Bereiche, die der 3-Uhr- und der 9-Uhr-Stellung entsprechen. In denjenigen Abschnitten des inneren Ringflansches 5, die den am wenigsten stark belasteten Bereichen des Gassammelraumes 3 benachbart sind, ist der Abstand der Schlitze 7 voneinander am größten. Aufgrund dieser Verteilung der Schlitze 7 strömt die Kühlluft verstärkt entlang der am stärksten thermisch belasteten Bereiche des Gassammelraumes 3.
Durch die ungleichmäßige Verteilung der gleich breiten Schlitze 7 in dem inneren Ringflansch 5 wird erreicht, dass der Gesamtquerschnitt der Schlitze 7, die in den Abschnitten des inneren Ringflansches 5 angebracht sind, die den stärker belasteten Bereichen des Gassammelrohres 1 benachbart sind größer ist als der Gesamtquerschnitt der Schlitze 7, die in den Abschnitten des Ringflansches 5 angebracht sind, die den weniger stark belasteten Bereichen des Gassammelrohres 1 benachbart sind. Alternativ kann auch die Breite der Schlitze 7 in der Weise variiert werden, dass die Schlitze 7 über den Umfang des Ringflansches 5 eine unterschiedliche Breite aufweisen und dass die Breite der Schlitze 7 in den Abschnitten des Ringflansches 5 größer ist, die den stärker belasteten Bereichen des Gassammelrohres 1 benachbart sind. Dabei können die Schlitze 7 von unterschiedlicher Breite gleichmäßig oder, wie zuvor für die gleich breiten Schlitze 7 erläutert ist, ungleichmäßig über den Umfang des inneren Ringflansches 5 verteilt angeordnet sein.
Außer bei dem beschriebenen zweiarmigen Gassammelrohr kann die Erfindung auch bei ähnlich aufgebauten ungleichmäßig thermisch belasteten Bauteilen insbesondere in Gas- und Dampfturbinenanlage angewendet werden.

Claims (3)

  1. Vorrichtung zum Kühlen eines symmetrischen, durch hohe Temperaturen über den Umfang ungleichmäßig stark belasteten Bauteiles einer Turbinenanlage, wobei die Wand des Bauteiles auf der einen Seite durch ein heißes Medium beaufschlagt und auf der anderen Seite durch einen an dieser Seite entlang geführten Strom von Kühlluft gekühlt ist, wobei mit dem Bauteil ein Ring (5) verbunden ist, der in den Strom der Kühlluft hineinragt und der mit Schlitzen (7) oder anderen Öffnungen für den Durchtritt der Kühlluft versehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtquerschnitt der Schlitze (7), die in den Abschnitten des Ringes (5) angebracht sind, die den stärker belasteten Bereichen des Bauteiles benachbart sind, größer ist als der Gesamtquerschnitt der Schlitze (7), die in den Abschnitten des Ringes (5) angebracht sind, die den weniger stark belasteten Bereichen des Bauteiles benachbart sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (7) in dem Ring (5) ungleichmäßig über dessen Umfang verteilt angeordnet sind und dass der Abstand der Schlitze (7) voneinander in den Abschnitten des Ringes (5) geringer ist, die den stärker belasteten Bereichen des Bauteiles benachbart sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (7) über den Umfang des Ringes (5) eine unterschiedliche Breite aufweisen und dass die Breite der Schlitze (7) in den Abschnitten des Ringes (5) größer ist, die den stärker belasteten Bereichen des Bauteiles benachbart sind.
EP01113867A 2000-07-04 2001-06-07 Vorrichtung zum Kühlen eines ungleichmässig stark temperaturbelasteten Bauteils Expired - Lifetime EP1170464B1 (de)

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