EP1174589B1 - Staubpartikelnentferner für die Kühlluft einer Gasturbine - Google Patents

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EP1174589B1
EP1174589B1 EP01112349A EP01112349A EP1174589B1 EP 1174589 B1 EP1174589 B1 EP 1174589B1 EP 01112349 A EP01112349 A EP 01112349A EP 01112349 A EP01112349 A EP 01112349A EP 1174589 B1 EP1174589 B1 EP 1174589B1
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EP
European Patent Office
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chamber
cooling air
gas turbine
dirt particles
air
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP01112349A
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English (en)
French (fr)
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EP1174589A1 (de
Inventor
Norman Roeloffs
Wesley D. Brown
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1174589B1 publication Critical patent/EP1174589B1/de
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/32—Collecting of condensation water; Drainage ; Removing solid particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes
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    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with a rotor, a compressor part, a combustion chamber part and a turbine part, guide vanes in the turbine part being fastened to its housing and rotor blades to the rotor.
  • the guide and rotor blades are cooled by cooling air by passing the cooling air through channels in the interior of the blades.
  • the invention relates to a device for removing dirt particles from the cooling air flow, by means of which a clogging of the channels in the blades is avoided.
  • a known method of blade cooling is air cooling, in which air is conducted from the compressor of the gas turbine to the turbine part, bypassing the combustion chambers. There, the cooling air flows through channels in the interior of the blades, cooling the blades, and then enters the gas stream of the turbine through outlet openings.
  • air cooling in which air is conducted from the compressor of the gas turbine to the turbine part, bypassing the combustion chambers. There, the cooling air flows through channels in the interior of the blades, cooling the blades, and then enters the gas stream of the turbine through outlet openings.
  • a common problem with this type of air cooling is the clogging of these channels by dirt particles that have entered the compressor from the ambient air or have formed in the machine and collect through the cooling air in the channels and outlet openings of the blades.
  • US Pat. No. 4,962,640 discloses a turbine guide vane which is hollow on the inside and has a second, inner wall in the cavity with a plurality of small, laterally arranged openings.
  • the cooling air flows from the radially outer end of the blade through an opening into the cavity and from there through small openings to the outer blade wall, after which it passes through further openings from the blade into the gas flow.
  • there is a much larger opening at the radially inner end of the blade There is a greater pressure drop at this larger opening than at the small openings on the side wall of the blade, so that dirt particles in the cooling air pass through this larger opening and are removed from the cooling air flow.
  • the dirt particles pass through the large opening into a room and then through a channel into the gas flow of the turbine.
  • US Pat. Nos. 4,820,122 and 4,820,123 disclose two further devices for removing dirt particles from the cooling air flow of a moving blade.
  • the rotor blades to be cooled have labyrinthine paths for the cooling air and a straight path for dirt particles, which leads directly to an opening at the radially outer end of the blades.
  • a baffle is attached to the entrances to the labyrinthine cooling air paths.
  • the cooling air In order to get into the labyrinth-like cooling ducts, the cooling air has to change its direction by flowing around the baffle plates. While clean cooling air or air with only very light particles can follow this change in direction, the heavier dirt particles cannot cope with the strong change in direction due to their moment of inertia.
  • the present invention has for its object to provide a device and a method for removing dirt particles from the cooling air flow for a gas turbine blade, wherein the cooling air flow has a relatively low speed.
  • a gas turbine with a rotor which leads through a compressor part, a combustion chamber part and a turbine part, has guide vanes and rotor blades in its turbine part, which are fastened to the housing of the turbine or to the rotor.
  • a supply line leads cooling air through the turbine housing to the turbine part.
  • the rotor and guide blades each have cooling channels which lead through the interior of the blades. The cooling air flows through the cooling channels, cooling the blades, and then enters the gas stream of the turbine through outlet openings.
  • the device for removing dirt particles in the cooling air flow is arranged on a static part of the turbine and has a first and a second chamber, a channel leading from the supply line for the cooling air to the first chamber.
  • the second chamber has two rows of outlets that are arranged on different radii with respect to the rotor.
  • the first row of outlet openings is arranged radially further inwards and leads to the entrance of the cooling channels of the guide or moving blades.
  • the second row of outlet openings is arranged radially further out and guides cooling air in the direction of the gas flow of the gas turbine.
  • the cooling air is collected in the first chamber of the device according to the invention and accelerated by a first pressure drop from the first to the second chamber, the cooling air receiving a speed component in the direction of the rotor circumference.
  • dirt particles contained in the cooling air are removed by centrifugal force, in that the particles pass through the radially outer outlet openings from the second chamber and flow into the gas stream and the cleaned cooling air through the radially inner outlet openings from the second chamber to the entrance of the cooling channels Moving blades or guide vanes.
  • the first chamber of the device serves to collect the cooling air from the compressor in a static part of the turbine at a given pressure.
  • the cooling air flows through the one or more air connections to the second chamber and is thereby accelerated by the pressure drop between the two chambers, whereby it receives a speed component tangential to the rotor circumference due to the orientation of the connections.
  • the second chamber is used to separate the dirt particles from the cooling air flow using centrifugal force.
  • the cooling air flows partly tangential to the circumference of the rotor. This tangential acceleration gives the cooling air a radially outward velocity component, which drives the heavier dirt particles radially outward and the lighter and cleaner cooling air flows on a radially inner path.
  • the rows of outlets on two Different radii serve the exit of the clean cooling air to guide or moving blades or the exit of the dirt particles into the gas flow.
  • the clean cooling air, separated from the dirt particles thus reaches the cooling channels of guide vanes or moving blades, while the dirt particles are driven directly into the gas flow and do not get into the cooling channels.
  • the device for removing dirt particles is arranged on an inner housing part of the turbine.
  • the first and second chambers of the device each extend over the entire circumference of the turbine.
  • the device is in turn arranged on an inner housing part, the first and second chambers each consisting of a plurality of partial chambers. These partial chambers each extend over a part of the housing circumference, together covering the entire circumference of the housing.
  • the device is arranged at the radially inner end of guide vanes of the turbine.
  • the first and second chambers each extend over part of the circumference of the row of guide vanes, such as four guide vanes, for example.
  • the device again consists of several first and several second chambers or partial chambers, which together cover the entire circumference of the row of guide vanes.
  • the number of outlet openings arranged radially on the inside is greater in the second chamber of the device than the number of outlet openings arranged radially on the outside.
  • the diameter of the radially inner outlet openings is smaller than the diameter of the radially outer outlet openings, the latter being at least equal to the diameter of the dirt particles to be removed.
  • the radially outer outlet openings serve not only for the exit of dirt particles, but also for the exit of a cooling air flow flows from the radially inner regions of the turbine to the gas flow and counteracts the penetration of hot gases into the cooling channels of the rotor blades.
  • the wall in the second chamber which lies opposite the air connections between the two chambers, is inclined radially outward in the direction of the cooling air flow. This facilitates the movement of the dirt particles in the radial direction to the outlet openings arranged radially on the outside.
  • that wall in the first chamber which lies opposite the air connections to the second chamber is inclined in the direction of the air connections to the second chamber, so that the cooling air flow which flows into the first chamber is deflected in the direction of the air connections to the second chamber ,
  • these outlet openings are oriented radially outward at an angle with respect to the flow direction within the second chamber, as a result of which the clean cooling air flow reaches the entrance to the cooling channels of the moving blade better.
  • Figure 1 shows an inventive device for removing dirt particles from a cooling air flow for gas turbine blades.
  • the device is arranged on a guide vane 1 which is fastened to the turbine housing, not shown.
  • the axis 2 of the rotor of the gas turbine which leads through the compressor, combustion chamber and turbine part and is fastened to the rotor blades, of which a rotor blade 3 is shown here. Cooling air is taken, for example, from the compressor part of the gas turbine and conducted via a line through the turbine housing into the turbine space, bypassing the combustion chamber part.
  • Dirt particles that have entered the compressor from the ambient air or have arisen in the machine and are carried along in the cooling air flow 4 are removed from the air flow in the device according to the invention, after which the cooling air flow is supplied to the cooling channels of the rotor blade 3.
  • the device extends over the entire circumference of the turbine, the device in the embodiment shown here consisting of several sections, of which a section extends, for example, over 2 to 4 guide vanes.
  • the cooling air flow 4 is fed to a duct 5, which passes through the guide vane 1 in the longitudinal direction and opens into the device according to the invention.
  • the cooling air flow 4 is first collected in a first chamber 6 of the device in order to be deflected there approximately in the axial direction.
  • the first chamber 6 has an inclined wall 7.
  • a second chamber 8 is located approximately in the axial direction next to the first chamber 6.
  • Air connections 9 lead from the first chamber 6 to the second chamber 8. These connections 9 are aligned with respect to the rotor axis 2 at an angle ⁇ which is between 0 ° and 90 °.
  • FIG. 2 shows the alignment of the air connections 9 in a diagram.
  • the rotor axis is designated by x and a radial direction by y.
  • the air connections 9 lie in the tangential plane to the rotor (perpendicular to the xy plane). This alignment and a pressure drop between the first chamber 6 and the second chamber 8 bring about an acceleration of the cooling air flow 2 in the tangential direction with respect to the rotor.
  • the cooling air flow 4 thus moves in the circumferential direction within the second chamber 8.
  • This acceleration gives the cooling air flow 4 a radially outwardly directed speed component.
  • a centrifugal force acts on the cooling air flow 4 within the second chamber 8, by means of which a separation of dirt particles from the cooling air flow 4 is achieved.
  • Cooling air 10 with heavier dirt particles flows radially outward in the second chamber.
  • the cooling air flow with dirt particles 10 reaches one or more outlet openings 12.
  • that wall 11 which is opposite the air connections 9 is inclined in the direction of the outlet openings 12, thereby guiding the cooling air flow Dirt particles to the outlet openings is further supported. There it emerges from the guide vane 1 through the openings and continues radially outward into the gas stream.
  • the clean cooling air 13 flows with no or only slight dirt particles on a smaller radius and reaches several small outlet openings 14 at the radially inner end of the chamber. There it emerges from the guide vane 1 and flows into the inlet 15 to cooling channels of the rotor blade 3 to. A pressure drop across these outlet openings 14 enables the clean cooling air flow 13 to be deflected and accelerated in the axial direction, as a result of which losses in turbine power are minimized.
  • the outlet openings 14 are oriented at an angle ⁇ with respect to the circumferential direction of the rotor.
  • the diagram in FIG. 2 shows an example of the alignment of these outlet openings 14.
  • the size of the angle ⁇ is varied in accordance with the design of the blade to be cooled, in particular in accordance with the orientation of the cooling channels and their inputs and the pressure conditions in the cooling channels.
  • the air connections or openings 9 between the first chamber 6 and the second chamber 8 of the device are oriented at an angle ⁇ with respect to the rotor axis 2.
  • the size of this angle ⁇ is chosen based on the available pressure drop. The greater the pressure drop, the more the air flow can be deflected in the direction of the circumferential direction.
  • the number and the diameter of the openings 9 are determined on the basis of the pressure drop between the two chambers.
  • the openings 9 for the cooling air flow 4 are located on a radius R1 approximately in the middle of the second chamber 6.
  • the outlet openings 12 from the second chamber for the cooling air 10 with dirt particles are arranged on a radius R2, where R2> R1.
  • outlet openings have a diameter of 2-3 mm, for example, in order to allow even the largest dirt particles to pass through.
  • the outlet openings 12 serve on the one hand to remove dirt particles. On the other hand, they also cause a radially outward air flow from the radially inner regions to the gas flow, as a result of which the flow of hot gases into the cooling air channels of the rotor blades is prevented.
  • the outlet openings 14 for the clean cooling air 13 are arranged on a radius R3, where R3 ⁇ R1. This ensures that no dirt particles get directly from the air connections 9 through the outlet openings 14 and into the cooling channels. In comparison to those for the dirt particles, these outlet openings 14 are much smaller in diameter, but much larger in number. For example, there are 2-3 outlet openings for clean cooling air per guide vane.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Rotor, einem Kompressorteil, einem Brennkammerteil und einem Turbinenteil, wobei im Turbinenteil Leitschaufeln an dessen Gehäuse und Laufschaufeln am Rotor befestigt sind. Die Leit- und Laufschaufeln werden durch Kühlluft gekühlt, indem die Kühlluft durch Kanäle im Inneren der Schaufeln geleitet wird. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom, durch welche eine Verstopfung der Kanäle in den Schaufeln vermieden wird.
    • Stand der Technik
  • Beim Bau von Gasturbinenschaufeln spielt die Dauerhaftigkeit der Schaufeln eine bedeutende Rolle. Eine gute Kühlung der Schaufeln während des Betriebs ist eine der Massnahmen, durch welche eine Dauerhaftigkeit gewährleistet ist. Eine bekannte Methode der Schaufelkühlung ist die Luftkühlung, bei der Luft aus dem Kompressor der Gasturbine unter Umgehung der Brennkammern in den Turbinenteil geleitet wird. Dort strömt die Kühlluft durch Kanäle im Innern der Schaufeln, wobei sie die Schaufeln kühlt, und tritt sodann durch Austrittsöffnungen in den Gasstrom der Turbine. Ein häufig auftretendes Problem bei dieser Art Luftkühlung ist die Verstopfung dieser Kanäle durch Schmutzpartikel, die aus der Umgebungsluft in den Kompressor gelangt sind oder sich in der Maschine gebildet haben und sich durch die Kühlluft in den Kanälen und Austrittsöffnungen der Schaufeln ansammeln.
  • In der Patentschrift US 4,962,640 ist eine Turbinenleitschaufel offenbart, die im Innem hohl ist, wobei sie im Hohlraum eine zweite, innere Wand mit mehreren kleinen, seitlich angeordneten Öffnungen aufweist. Die Kühlluft strömt vom radial äusseren Ende der Schaufel durch eine Öffnung in den Hohlraum und von dort durch kleine Öffnungen zur äusseren Schaufelwand, wonach sie durch weitere Öffnungen aus der Schaufel in den Gasstrom gelangt. Zwecks Vermeidung einer Verstopfung der kleinen Öffnungen an der inneren Wand befindet sich am radial inneren Ende der Schaufel eine um ein Vielfaches grössere Öffnung. An dieser grösseren Öffnung besteht ein grösserer Druckabfall als an den kleinen Öffnungen an der Seitenwand der Schaufel, sodass Schmutzpartikel in der Kühlluft durch diese grössere Öffnung treten und aus dem Kühlluftstrom entfernt werden. Die Schmutzpartikel gelangen durch die grosse Öffnung in einen Raum und danach durch einen Kanal in den Gasstrom der Turbine.
  • In den Patentschriften US 4,820,122 und US 4,820,123 werden zwei weitere Vorrichtungen zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom einer Laufschaufel offenbart. Die zu kühlenden Laufschaufeln weisen in ihrem Innem labyrinth-artige Pfade für die Kühlluft auf sowie einen geradlinigen Pfad für Schmutzpartikel, der direkt zu einer Öffnung am radial äusseren Schaufelende führt. An den Eingängen zu den labyrinth-artigen Kühlluftpfaden ist jeweils ein Umlenkblech angebracht. Um in die labyrinth-artigen Kühlkanäle zu gelangen, muss die Kühlluft ihre Richtung stark ändern, indem sie um die Umlenkbleche herum strömt. Während saubere Kühlluft oder Luft mit nur sehr leichten Partikeln diese Richtungsänderung verfolgen kann, vermögen die schwereren Schmutzpartikel aufgrund ihres Trägheitsmoments die starke Richtungsänderung nicht zu bewältigen. Diese verfolgen stattdessen einen weniger stark gekrümmten Pfad und gelangen in den geradlinigen Kanal, welcher zur Öffnung für Schmutzpartikel führt.
    Bei diesen beiden Vorrichtungen werden die Schmutzpartikel aufgrund einer abrupten Richtungsänderung vom Kühlluftstrom getrennt. Diese Trennungsmethode geht davon aus, dass der Kühlluftstrom eine relativ hohe Geschwindigkeit besitzt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom für eine Gasturbinenschaufel zu schaffen, wobei der Kühlluftstrom eine relativ kleine Geschwindigkeit besitzt.
  • Diese Aufgabe ist durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 1 und ein Verfahren gemäss Anspruch 11 gelöst.
  • Eine Gasturbine mit einem Rotor, der durch einen Kompressorteil, einen Brennkammerteil und einen Turbinenteil führt, weist in ihrem Turbinenteil Leitschaufeln und Laufschaufeln auf, die am Gehäuse der Turbine bzw. am Rotor befestigt sind. Eine Zuführleitung führt Kühlluft durch das Turbinengehäuse zum Turbinenteil. Die Lauf- und Leitschaufeln weisen jeweils Kühlkanäle auf, welche durch das Innere der Schaufeln führen. Die Kühlluft strömt durch die Kühlkanäle, wobei sie die Schaufeln kühlt, und tritt sodann durch Austrittsöffnungen in den Gasstrom der Turbine.
  • Die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln im Kühlluftstrom ist erfindungsgemäss auf einem statischen Teil der Turbine angeordnet und weist eine erste und eine zweite Kammer auf, wobei ein Kanal von der Zuführleitung für die Kühlluft zur ersten Kammer führt. Es besteht mindestens eine Luftverbindung zwischen der ersten und zweiten Kammer, wobei die Richtung dieser Luftverbindung in einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Rotorachse verläuft, wobei ein Winkel von 0° einer Parallele zur Rotorachse und ein Winkel von 90° einer Parallele zur Tangentialen zum Rotorumfang entspricht. Von der ersten zur zweiten Kammer der Vorrichtung besteht zudem ein Druckabfall, sodass die Kühlluft auf dem Weg von der ersten zur zweiten Kammer beschleunigt wird, wobei sie eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung des Rotors erhält. Die zweite Kammer weist zwei Reihen von Austrittsöffnungen auf, die bezüglich des Rotors auf verschiedenen Radien angeordnet sind. Die erste Reihe von Austrittsöffnungen ist im Vergleich zur Luftverbindung von der ersten zur zweiten Kammer radial weiter innen angeordnet und führt zum Eingang der Kühlkanäle der Leit- oder Laufschaufeln. Die zweite Reihe von Austrittsöffnungen ist im Vergleich zur Verbindung von der ersten zur zweiten Kammer radial weiter aussen angeordnet und führt Kühlluft in Richtung des Gasstroms der Gasturbine.
  • Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Kühlluft in der ersten Kammer der erfindungsgemässen Vorrichtung gesammelt und durch einen ersten Druckabfall von der ersten zur zweiten Kammer beschleunigt, wobei die Kühlluft eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Rotorumfangs erhält. In der zweiten Kammer werden in der Kühlluft enthaltene Schmutzpartikel durch Zentrifugalkraft entfernt, indem die Partikel durch die radial äusseren Austrittsöffnungen aus der zweiten Kammer treten und in den Gasstrom strömen und die gereinigte Kühlluft durch die radial inneren Austrittsöffnungen aus der zweiten Kammer zum Eingang der Kühlkanäle von Lauf- oder Leitschaufeln gelangt.
  • Die erste Kammer der erfindungsgemässen Vorrichtung dient der Sammlung der Kühlluft vom Kompressor in einem statischen Teil der Turbine bei einem gegebenen Druck. Die Kühlluft strömt durch die eine oder mehreren Luftverbindungen zur zweiten Kammer und wird dabei durch den Druckabfall zwischen den beiden Kammern beschleunigt, wobei sie aufgrund der Orientierung der Verbindungen eine Geschwindigkeitskomponente tangential zum Rotorumfang erhält.
    Die zweite Kammer dient der Trennung der Schmutzpartikel aus dem Kühlluftstrom mittels zentrifugaler Kraft. Die Kühlluft strömt dort zum Teil tangential zum Umfang des Rotors. Durch diese tangentiale Beschleunigung erhält die Kühlluft eine radial nach aussen gerichtete Geschwindigkeitskomponente, wodurch die schwereren Schmutzpartikel radial nach aussen getrieben werden und die leichtere und saubere Kühlluft auf einem radial inneren Pfad strömt. Die Reihen von Austrittsöffnungen auf zwei verschiedenen Radien dienen dem Austritt der sauberen Kühlluft zu Leit- oder Laufschaufeln bzw. dem Austritt der Schmutzpartikel in den Gasstrom. Die saubere Kühlluft gelangt also, getrennt von den Schmutzpartikeln, zu den Kühlkanälen von Leit- oder Laufschaufeln, während die Schmutzpartikel direkt in den Gasstrom getrieben werden und nicht in die Kühlkanäle gelangen.
  • In einer ersten Variante der Erfindung ist die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln an einem inneren Gehäuseteil der Turbine angeordnet. Dabei erstrecken sich die erste und zweite Kammer der Vorrichtung je über den gesamten Umfang der Turbine.
    In einer zweiten Variante der Erfindung ist die Vorrichtung wiederum an einem inneren Gehäuseteil angeordnet, wobei die erste und zweite Kammer jeweils aus mehreren Teilkammem bestehen. Diese Teilkammern erstrecken sich je über einen Teil des Gehäuseumfangs, wobei sie zusammen den gesamten Umfang des Gehäuses abdecken.
  • In einer dritten Variante ist die Vorrichtung am radial inneren Ende von Leitschaufeln der Turbine angeordnet. Erste und zweite Kammern erstrecken sich hier jeweils über einen Teil des Umfangs der Leitschaufelreihe, wie zum Beispiel über vier Leitschaufeln. Die Vorrichtung besteht in diesem Fall wiederum aus mehreren ersten und mehreren zweiten Kammern oder Teilkammern, die zusammen den gesamten Umfang der Leitschaufelreihe abdecken.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist in der zweiten Kammer der Vorrichtung die Anzahl der radial innen angeordneten Austrittsöffnungen grösser als die Anzahl der radial aussen angeordneten Austrittsöffnungen. Der Durchmesser der radial innen angeordneten Austrittsöffnungen ist dabei kleiner als der Durchmesser der radial aussen angeordneten Austrittsöffnungen, wobei letzterer mindestens gleich dem Durchmesser der zu entfernenden Schmutzpartikel ist. Die radial äusseren Austrittsöffnungen dienen nicht nur dem Austritt von Schmutzpartikeln, sondern auch dem Austritt eines Kühlluftstroms, der von den radial inneren Bereichen der Turbine zum Gasstrom strömt und dem Eindringen von Heissgasen in die Kühlkanäle der Laufschaufeln entgegenwirkt.
  • In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist in der zweiten Kammer die Wand, die den Luftverbindungen zwischen beiden Kammern gegenüber liegt, in der Richtung der Kühlluftströmung und radial nach aussen geneigt. Dies erleichtert die Bewegung der Schmutzpartikel in radialer Richtung zu den radial aussen angeordneten Austrittsöffnungen.
  • In einer weiteren Ausführung ist in der ersten Kammer jene Wand, die den Luftverbindungen zur zweiten Kammer gegenüber liegt, in Richtung der Luftverbindungen zur zweiten Kammer geneigt, sodass der Kühlluftstrom, der in die erste Kammer strömt in die Richtung der Luftverbindungen zur zweiten Kammer umgelenkt wird.
  • In einer weiteren Ausführung besteht über den Austrittsöffnungen für die saubere Kühlluft aus der zweiten Kammer ein Druckabfall. Dadurch wird der austretende, saubere Kühlluftstrom beim Austritt in der Richtung der Rotorumdrehung beschleunigt, was der Optimierung der Turbinenleistung beiträgt.
  • Diese Austrittsöffnungen sind in einer weiteren Ausführung in einem Winkel bezüglich der Strömungsrichtung innerhalb der zweiten Kammer radial nach aussen ausgerichtet, wodurch der saubere Kühlluftstrom den Eingang zu den Kühlkanälen der Laufschaufel besser erreicht.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
    • Figur 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom für Laufschaufeln einer Gasturbine,
    • Figur 2 ein Diagramm zur Darstellung der Anordnung der Verbindungsöffnungen zwischen den beiden Kammern der erfindungsgemässen Vorrichtung sowie der Austrittsöffnungen für den sauberen Kühlluftstrom.
    Weg der Ausführung der Erfindung
  • Figur 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus einem Kühlluftstrom für Gasturbinenschaufeln. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung an einer Leitschaufel 1 angeordnet, die am nicht gezeigten Turbinengehäuse befestigt ist. Es ist ferner die Achse 2 des Rotors der Gasturbine gezeigt, der durch Kompressor-, Brennkammer- und Turbinenteil führt und an dem Laufschaufeln befestigt sind, wovon hier eine Laufschaufel 3 gezeigt ist.
    Kühlluft wird beispielsweise dem Kompressorteil der Gasturbine entnommen und über eine Leitung durch die Turbinengehäuse in den Turbinenraum geführt, wobei der Brennkammerteil umgangen wird. Schmutzpartikel, die aus der Umgebungsluft in den Kompressor gelangt sind oder in der Maschine entstanden sind und im Kühlluftstrom 4 mitgetragen werden, werden in der erfindungsgemässen Vorrichtung aus dem Luftstrom entfernt, wonach der Kühlluftstrom den Kühlkanälen der Laufschaufel 3 zugeführt wird.
    Die Vorrichtung erstreckt sich über den gesamten Umfang der Turbine, wobei die Vorrichtung in der hier gezeigten Ausführung aus mehreren Teilstücken besteht, wovon ein Teilstück sich beispielsweise über 2 bis 4 Leitschaufeln erstreckt.
  • Im Turbinenteil wird der Kühlluftstrom 4 einem Kanal 5 zugeführt, der die Leitschaufel 1 in Längsrichtung durchläuft und in die erfindungsgemässe Vorrichtung mündet. Der Kühlluftstrom 4 wird zunächst in einer ersten Kammer 6 der Vorrichtung gesammelt, um dort ungefähr in Axialrichtung umgelenkt zu werden. Hierzu weist die erste Kammer 6 eine geneigte Wand 7 auf. Eine zweite Kammer 8 befindet sich ungefähr in Axialrichtung neben der ersten Kammer 6.
  • Eine oder mehrere Öffnungen Luftverbindungen 9 führen von der ersten Kammer 6 zur zweiten Kammer 8. Diese Verbindungen 9 sind bezüglich der Rotorachse 2 in einem Winkel φ ausgerichtet, der zwischen 0° und 90° beträgt. Figur 2 zeigt in einem Diagramm die Ausrichtung der Luftverbindungen 9. Hier ist die Rotorachse mit x und eine radiale Richtung mit y bezeichnet. Die Luftverbindungen 9 liegen dabei in der tangentialen Ebene zum Rotor (senkrecht zur xy-Ebene). Diese Ausrichtung sowie ein Druckabfall zwischen der ersten Kammer 6 und zweiten Kammer 8 bewirkt eine Beschleunigung des Kühlluftstroms 2 in tangentialer Richtung bezüglich des Rotors. Innerhalb der zweiten Kammer 8 bewegt sich der Kühlluftstrom 4 also in Umfangsrichtung. Durch diese Beschleunigung erhält der Kühlluftstrom 4 eine radial nach aussen gerichtete Geschwindigkeitskomponente. Es wirkt innerhalb der zweiten Kammer 8 eine Zentrifugalkraft auf den Kühlluftstrom 4, durch die eine Trennung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom 4 erreicht wird. Kühlluft 10 mit schwereren Schmutzpartikeln strömt in der zweiten Kammer radial auswärts. Am radial äusseren Ende der zweiten Kammer 8 gelangt der Kühlluftstrom mit Schmutzpartikeln 10 zu einer oder mehreren Austrittsöffnungen 12. In der zweiten Kammer 8 ist dabei jene Wand 11, die den Luftverbindungen 9 gegenüberliegt in Richtung der Austrittsöffnungen 12 geneigt, wodurch die Lenkung des Kühlluftstroms mit Schmutzpartikeln zu den Austrittsöffnungen weiter unterstützt wird. Dort tritt er durch die Öffnungen aus der Leitschaufel 1 hinaus und gelangt weiter radial auswärts in den Gasstrom. Innerhalb der zweiten Kammer 8 strömt die saubere Kühlluft 13 mit keinen oder nur leichten Schmutzpartikeln hingegen auf kleinerem Radius und gelangt am radial inneren Ende der Kammer zu mehreren kleinen Austrittsöffnungen 14. Dort tritt sie aus der Leitschaufel 1 und strömt dem Eingang 15 zu Kühlkanälen der Laufschaufel 3 zu. Ein Druckabfall über diesen Austrittsöffnungen 14 ermöglicht eine Umlenkung und Beschleunigung des sauberen Kühlluftstroms 13 in axialer Richtung, wodurch Verluste bei der Turbinenleistung minimiert werden.
  • In einer Variante sind die Austrittsöffnungen 14 bezüglich der Umfangsrichtung des Rotors in einem Winkel θ orientiert. Das Diagramm in Figur 2 zeigt ein Beispiel der Ausrichtung dieser Austrittsöffnungen 14. Die Grösse des Winkels θ wird entsprechend der Ausbildung der zu kühlenden Schaufel variiert, insbesondere entsprechend der Ausrichtung der Kühlkanäle und deren Eingänge sowie der Druckverhältnisse in den Kühlkanälen.
  • Die Luftverbindungen oder Öffnungen 9 zwischen der ersten Kammer 6 und der zweiten Kammer 8 der Vorrichtung sind bei einem Winkel φ bezüglich der Rotorachse 2 orientiert. Die Grösse dieses Winkels φ wird aufgrund des verfügbaren Druckabfalls gewählt. Je grösser der Druckabfall je mehr kann der Luftstrom in Richtung Umfangsrichtung umgelenkt werden. Gleichsam werden die Anzahl und der Durchmesser der Öffnungen 9 aufgrund des Druckabfalls zwischen den beiden Kammern bestimmt.
    Die Öffnungen 9 für den Kühlluftstrom 4 befinden sich auf einem Radius R1 ungefähr in der Mitte der zweiten Kammer 6. Die Austrittsöffnungen 12 aus der zweiten Kammer für die Kühlluft 10 mit Schmutzpartikel sind auf einem Radius R2 angeordnet, wobei R2>R1 ist. Diese Austrittsöffnungen besitzen einen Durchmesser von beispielsweise 2-3 mm, um auch die grössten Schmutzpartikel passieren zu lassen. Die Austrittsöffnungen 12 dienen einerseits der Entfernung von Schmutzpartikeln. Anderseits bewirken sie auch eine radial auswärts gerichtete Luftströmung von den radial inneren Bereichen zum Gasstrom hin, wodurch die Strömung von Heissgasen in die Kühlluftkanäle der Laufschaufeln verhindert wird.
  • Die Austrittsöffnungen 14 für die saubere Kühlluft 13 sind auf einem Radius R3 angeordnet, wobei R3<R1 ist. Dies gewährleistet, dass keine Schmutzpartikel direkt von den Luftverbindungen 9 durch die Austrittsöffnungen 14 und in die Kühlkanäle gelangen. Diese Austrittsöffnungen 14 sind im Vergleich zu jenen für die Schmutzpartikel viel kleiner im Durchmesser, jedoch viel grösser in ihrer Anzahl. Pro Leitschaufel sind beispielsweise 2-3 Austrittsöffnungen für saubere Kühlluft vorhanden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Leitschaufel
    2
    Achse des Gasturbinenrotors
    3
    Laufschaufel
    4
    Kühlluftstrom
    5
    Kanal
    6
    erste Kammer
    7
    geneigte Wand
    8
    zweite Kammer
    9
    Öffnungen oder Luftverbindungen
    10
    Kühlluft mit Schmutzpartikeln
    11
    geneigte Wand
    12
    Austrittsöffnungen für Kühlluft mit Schmutzpartikeln
    13
    saubere Kühlluft
    14
    Austrittsöffnungen für saubere Kühlluft
    15
    Eingang zu Kühlluftkanälen
    φ
    Winkel zwischen Rotorachse und Richtung der Luftverbindungen
    θ
    Winkel zwischen Richtung der Luftverbindungen und Richtung der Austrittsöffnungen 14
    x
    Rotorachse
    y
    radiale Richtung

Claims (11)

  1. Eine Gasturbine mit einem Rotor, einem Kompressorteil, einem Brennkammerteil und einem Turbinenteil, wobei im Turbinenteil an dessen Gehäuse Leitschaufeln (1) und am Rotor Laufschaufeln (3) befestigt sind, weist eine Zuführleitung für Kühlluft (4), die in den Turbinenteil führt, und eine Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus der Kühlluft (4) auf,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus der Kühlluft (4) auf einem statischen Teil des Turbinenteils angeordnet ist und eine erste Kammer (6) und eine zweite Kammer (8) aufweist, wobei von der Zuführleitung der Kühlluft (4) ein Kanal (5) zur ersten Kammer (6) führt, und von der ersten Kammer (6) mindestens eine Luftverbindung oder Öffnung (9) in die zweite Kammer (8) führt, wobei die Richtung dieser Luftverbindung (9) in einem Winkel φ zur Achse (2) des Rotors orientiert ist, der zwischen 0° und 90° beträgt, und zwischen der ersten Kammer (6) und der zweiten Kammer (8) ein Druckabfall besteht, sodass die Kühlluft (4) von der ersten Kammer (6) zur zweiten Kammer (8) beschleunigt und bezüglich des Rotors in Tangentialrichtung umgelenkt wird und sie in der zweiten Kammer (8) mit einer Geschwindigkeitskomponente in der Umfangsrichtung des Rotors strömt,
    und die zweite Kammer (8) Austrittsöffnungen (12) für Kühlluft mit Schmutzpartikeln (10) und Austrittsöffnungen (14) für saubere Kühlluft (13) aufweist, wobei im Vergleich zur radialen Position der Luftverbindungen (9) zwischen den beiden Kammern (6, 8) die Austrittsöffnungen (12) für die Kühlluft mit Schmutzpartikeln (10) radial weiter aussen und die Austrittsöffnungen (14) für saubere Kühlluft (13) radial weiter innen angeordnet sind,
    und die Austrittsöffnungen (14) für saubere Kühlluft (13) in den Bereich von Eingängen (15) zu Kühlkanälen von Leit- oder Laufschaufeln führen.
  2. Gasturbine nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus der Kühlluft (4) an einem inneren Gehäuseteil des Turbinenteils angeordnet ist.
  3. Gasturbine nach Anspruch 2
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Kammer (6) und die zweite Kammer (8) der Vorrichtung sich jeweils über den gesamten Umfang des Gehäuseteils erstrecken.
  4. Gasturbine nach Anspruch 3
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Kammer (6) und die zweite Kammer (8) der Vorrichtung je aus mehreren Teilkammern bestehen, die sich je über einen Teil des Gehäuseumfangs erstrecken.
  5. Gasturbine nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus der Kühlluft (4) am radial inneren Ende von Leitschaufeln (1) angeordnet ist und die erste Kammer (6) und zweite Kammer (8) der Vorrichtung je aus mehreren Teilkammem bestehen, die sich über mehrere Leitschaufeln (1) erstrecken.
  6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der zweiten Kammer (8) die radial weiter innen angeordneten
    Austrittsöffnungen (14) in ihrer Anzahl grösser und in ihrem Durchmesser kleiner sind als die radial weiter aussen angeordneten Austrittsöffnungen (12).
  7. Gasturbine nach Anspruch 6
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der zweiten Kammer (8) die Wand (11), die den Luftverbindungen (9) zwischen den beiden Kammern (6,8) gegenüber liegt, in Richtung der Kühlluftströmung mit Schmutzpartikeln und der radial weiter aussen angeordneten Austrittsöffnungen (12) geneigt ist.
  8. Gasturbine nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der ersten Kammer (6) der Vorrichtung die Wand (7) die den Luftverbindungen (9) zur zweiten Kammer (8) gegenüber liegt, in Richtung der Luftverbindungen (9) zur zweiten Kammer (8) geneigt ist.
  9. Gasturbine nach Anspruch 8
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der zweiten Kammer (8) die Austrittsöffnungen (14) für die saubere Kühlluft (13) bezüglich der Strömungsrichtung innerhalb der zweiten Kammer (8) in einem Winkel θ radial nach aussen orientiert sind.
  10. Gasturbine nach Anspruch 8 oder 9
    dadurch gekennzeichnet, dass
    über den Austrittsöffnungen (14) für die saubere Kühlluft (13) ein Druckabfall besteht.
  11. Verfahren zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus Kühlluft für Schaufeln einer Gasturbine mittels einer Vorrichtung gemäss Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühlluft in der ersten Kammer (6) gesammelt und durch einen Druckabfall über Luftverbindungen (9) in eine zweite Kammer (8) geleitet wird, in der die Kühlluft (4) in Umfangsrichtung des Rotors der Gasturbine strömt und dort durch Zentrifugalkraft die in der Kühlluft enthaltenen Schmutzpartikel radial nach aussen getrieben werden und durch Austrittsöffnungen (12) in den Gasstrom der Turbine gelangen und die saubere Kühlluft (13) durch im Vergleich zu den Luftverbindungen (9) radial weiter innen angeordnete Austrittsöffnungen (14) zu Kühlkanälen von Leit- oder Laufschaufeln gelangen.
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