EP1283328A1 - Dichtungsbuchse für gekühlte Gasturbinenschaufeln - Google Patents
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- EP1283328A1 EP1283328A1 EP01119265A EP01119265A EP1283328A1 EP 1283328 A1 EP1283328 A1 EP 1283328A1 EP 01119265 A EP01119265 A EP 01119265A EP 01119265 A EP01119265 A EP 01119265A EP 1283328 A1 EP1283328 A1 EP 1283328A1
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
- F01D5/085—Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor
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- 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
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- 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
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- F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
- F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes
Definitions
- the invention relates to a gas turbine with a number arranged on a turbine shaft via a blade root Blades, each with an integrated coolant channel exhibit.
- Gas turbines are used to drive generators in many areas or used by work machines.
- the fuel will To do this, burned in a combustion chamber, using an air compressor compressed air is supplied. That in the combustion chamber generated by the combustion of the fuel, under high pressure and working medium at high temperature is via a turbine unit downstream of the combustion chamber managed where it relaxes while working.
- To generate the rotational movement of the turbine shaft are a number of them usually in groups of blades or rows of blades grouped together arranged, via a pulse transfer from the working medium drive the turbine shaft.
- For guiding the working medium in the turbine unit are usually between neighboring rows of blades with the turbine housing connected rows of vanes arranged.
- the components and parts exposed to it are high exposed to thermal loads.
- Ensuring affected components is common cooling of the affected components, in particular of Rotor and / or guide vanes of the turbine unit are provided.
- the turbine blades are therefore usually designed to be coolable, being particularly effective and reliable Cooling seen in the flow direction of the working medium first rows of blades should be ensured.
- the respective turbine blade usually has one integrated into the airfoil or the airfoil Coolant channel from which a coolant is targeted especially the thermally stressed zones of the turbine blade is feedable.
- Cooling air for example, is used as the coolant. This is usually the case for the respective turbine blade in the manner of open cooling via an integrated one Coolant channel supplied. Flowing through from this the cooling air in the branching ducts are provided Areas of the turbine blade. Are on the outlet side these channels left open so that the cooling air after the Flow through the turbine blade and exits with the working medium in the turbine unit mixed.
- a desirable saving in cooling air requirement for these reasons is achievable by keeping the cooling system closed Cooling system is formed.
- a closed cooling system is the used coolant, especially cooling air, returned to the combustion process.
- the cooling air has a comparatively high pressure loss may be subject to, but is usually a local and customized supply of cooling air depending on the intended feed point is comparatively high pressure required. This includes the pressure loss when guiding the cooling air through a closed system to consider.
- Systems can increase pressure loss significantly contribute to the requirements for the cooling air to be provided.
- high pressure means that it is comparatively complex Construction of the associated systems, in particular at high pressure requirements to provide the Cooling air compressors required depending on the operating conditions those achievable through closed cooling Efficiency or performance advantages partially or even can fully compensate.
- the invention is therefore based on the object of a gas turbine of the type mentioned above, in the case of a safe cooling of the blades of the coolant requirement is kept particularly low and a reliable separated Feeding the blades with various coolants, especially with cooling air of different pressures, at particularly low service requirements.
- a blade associated with the turbine shaft Supply channel for coolant in an outlet side End area is expanded in its cross section, and in the end area with an outer contour on the inner cross section adapted to the end region, in its longitudinal direction slidable feed bushing is arranged.
- the invention is based on the consideration that for one of the needs for coolant for reliable cooling the blades can be kept particularly low if a coolant leakage is largely excluded, and that on the other hand a higher flexibility of cooling can be achieved is chosen by designing the cooling can have various leads attached close to each other are. Both can be realized if a reliable one Seal between the supply channel for coolant in the Turbine shaft and the coolant channel in the blade can be provided. This in turn is done with simple Funds achieved through targeted use of the company or gas turbine centrifugal force.
- the socket, the hollow is for the passage of the coolant, then the Center axis of the turbine shaft pressed outward and is therefore on the underside of the blade root. Thereby there is a good sealing effect because the centrifugal force is very high is high. As experiments have shown, it can be in the range of 10,000 g, with g being the acceleration due to gravity is designated.
- a blade assigned to each blade in the turbine shaft has an integrated drainage channel for coolant in an entry-side initial area in its cross section is expanded, with one in its initial range Outer contour adapted to the inner cross section of the starting area longitudinally displaceable lead bushing is arranged. In this way, both the coolant supply line as well as the coolant drainage Cooling effect reinforcing a highly effective seal of the coolant.
- the sealing effect can in particular without additional components can be further advantageously increased if an inlet assigned to the supply duct and / or a Discharge channel assigned outlet of the coolant channel in an essentially flat, the end of the Supply channel and / or the initial area of the discharge channel facing contact surface of the respective blade root empties.
- the feed bushing and if necessary the discharge socket is extremely safe during operation of the gas turbine and with a large contact surface flat against the contact surface of the blade root, which prevents any leakage becomes.
- Sealing of the coolant channel is also achieved if the feed bushing and, if necessary, the discharge bushing is displaceable on a straight line which is the central axis of the Turbine shaft does not cut. In this case it just does the component running in the direction of the straight line the centrifugal force the seal.
- a particularly good sealing effect is achieved when the feed bushing is advantageous and / or the lead bushing related to the central axis the turbine shaft are / is radially displaceable. Consequently the feed bushing and / or the discharge bushing is exact oriented towards the centrifugal force, which is their optimal Use for sealing possible.
- each Socket with the associated channel piece formed annulus intended.
- the respective bushing on their facing away from the blade root Tapered end and with a circumferential sealing ring Mistake.
- Air is preferably provided as the coolant in the gas turbine, that is particularly easy to provide in this case and is manageable.
- Coolant supply bushing in the end area of a arranged in the turbine shaft supply duct and fitted into it, one in the operation of the gas turbine with the centrifugal force increasing seal from the supply channel and a coolant channel in a blade is, whereby different supply lines are placed close to each other can be prevented and loss of coolant becomes.
- a recess for example a bore, to provide the end region of the supply duct as well as the socket as such with extremely small manufacturing tolerances producible, since this is preferably Round body. Due to the small tolerances is a high sealing effect also along the longitudinal direction of the bush achievable.
- the respective blade is also special can be assembled or disassembled with little effort.
- the gas turbine 1 or FIG. 1 has a compressor 2 for Combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for Drive the compressor 2 and a generator, not shown or a work machine. To do this are the turbine 6 and the compressor 2 on a common, also as a turbine rotor designated turbine shaft 8 arranged with the the generator or the working machine is also connected and which is rotatably mounted about its central axis 9.
- the combustion chamber 4 is provided with a number of burners 10 Combustion of a liquid or gaseous fuel. It is still not closer to its inner wall provided heat shield elements.
- the turbine 6 has a number of with the turbine shaft 8 connected, rotatable blades 12.
- the blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades.
- the turbine 6 comprises a number of fixed guide vanes 14, which is also ring-shaped with the formation of Guide vane rows attached to an inner wall 16 of the turbine 6 are.
- the blades 12 serve to drive the Turbine shaft 8 by momentum transfer from the turbine 6 flowing through Working medium M.
- the guide vanes 14, however, serve to flow the working medium M between each two seen in the flow direction of the working medium M. successive rows of blades or blade rings.
- a successive pair from a wreath of Guide vanes 14 or a row of guide vanes and from one Wreath of blades 12 or a row of blades is also referred to as the turbine stage.
- Each guide vane 14 has one which is also referred to as a blade root Platform 18, which is used to fix the respective guide vane 14 on the inner wall 16 of the turbine 6 as a wall element is arranged.
- the platform 18 is a thermal comparison heavily loaded component that the outer boundary a hot gas duct for the one flowing through the turbine 6 Working medium M forms.
- Each blade 12 is analog Way over a platform 20 also referred to as a blade root attached to the turbine shaft 8.
- each guide ring 21 is also hot, flowing through the turbine 6 Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blade opposite to it 12 spaced by a gap.
- the between Guide rings 21 arranged adjacent rows of guide vanes serve in particular as cover elements that cover the inner wall 16 or other housing installation parts before a thermal Overuse by the flowing through the turbine 6 protects hot working medium M.
- the gas turbine 1 for a comparatively high outlet temperature of the working medium emerging from the combustion chamber 4 M designed from about 1200 ° C to 1300 ° C.
- the blades 12 and Guide vanes 14 designed to be coolable as cooling medium by cooling air.
- FIG 2 is by means of a blade root 20 on the Turbine shaft 8 arranged blade 12 of the gas turbine shown enlarged.
- the blade 12 has an in they integrated coolant channel 24, the course of which here is reproduced only in a highly simplified manner, and therefore is drawn in dashed lines.
- Air as coolant K to reduce the thermal load the blade 12 guided, a feeding of the Coolant channel 24 through an integrated in the turbine shaft 8, here only simplified supply channel 26 takes place.
- the flow direction of the coolant K becomes indicated by arrows 28.
- the supply channel 26 is expanded, and in this End region 30 is a displaceable in its longitudinal direction L1 Feed bushing 32 arranged.
- the outer contour of the Feed bushing 32 is on the inside cross section of the end portion 30 of the feed channel 26 adapted so that the socket 32 sealing on the inner wall of the feed channel 26 is applied.
- the blade 12 has a closed cooling, what means that the coolant K is derived from the blade 12 and is returned. This derivation and return takes place by means of an integrated in the turbine shaft 8 Discharge channel 34.
- the transition from the coolant channel 24 to Discharge channel 34 is analogous to the transition from the feed channel 26 to the coolant duct 24: the discharge duct 34 is in an entry-side initial area 36 with a expanded cross-section, being in the initial area 36 a lead bushing displaceable in its longitudinal direction L2 38, the outer contour of the inner cross section of the Starting area 36 is sealingly adapted, is arranged.
- Both the feed bushing 32 and the drain bushing 38 are related to the central axis 9 of the turbine shaft 8 radially displaceable.
- FIG. 3 An exploded view of a connection area of a Turbine shaft 8 with a further blade 12 one The gas turbine is shown in FIG. 3.
- a coolant channel 24 having blade root 20 in a disk groove 46 on the Turbine shaft 8 arranged.
- the turbine shaft 8 with a feed channel 26 and a drain channel 34 for Provide coolant, the supply channel 26 in one End area 30 and the discharge channel 34 in an initial area 36 is provided with a cross-sectional expansion.
- a feed bush 32 In the end portion 30 is a feed bush 32 and in the Starting area 36 a lead bushing 38 slidably mounted.
- the centrifugal force Bushes 32, 38 pressed against the flat contact surface 52 which creates tight transitions between channels 24, 26, 34 result.
- the discharge channel 34 shown in FIG. 3 could also be a be another supply channel through which another coolant than the blade root 20 through the feed channel 26 is feedable.
- the sockets 32, 38 in the extended areas 30, 36 of the channels 26, 34 and the Blade foot 20 would not result in any changes.
- sealing is a crosstalk between the Channels 26, 34 excluded.
- the Guide bush 32 and / or the department bush 38 on her respective end 60 facing away from the blade root 18 or 20 be beveled.
Abstract
Bei einer Gasturbine (1) mit einer Anzahl von über einen Schaufelfuß (20) an einer Turbinenwelle (8) angeordneten Laufschaufeln (12), die jeweils einen integrierten Kühlmittelkanal (24) aufweisen, soll bei einer sicheren Kühlung der Laufschaufeln (12) der Kühlmittelbedarf besonders gering gehalten und eine zuverlässige separierte Bespeisung der Schaufeln (12) auch mit verschiedenen Kühlmitteln bei besonders geringem Serviceaufwand ermöglicht sein. Dazu ist erfindungsgemäß ein jeweils einer Laufschaufel (12) zugeordneter, in die Turbinenwelle (8) integrierter Zuleitungskanal (26) für Kühlmittel (K) in einem austrittsseitigen Endbereich (30) in seinem Querschnitt erweitert, und im Endbereich (30) ist eine in ihrer Außenkontur an den Innenquerschnitt des Endbereichs (30) angepaßte, in ihrer Längsrichtung (L1) verschiebbare Zuführungsbuchse (32) angeordnet. <IMAGE>
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer Anzahl
von über einen Schaufelfuß an einer Turbinenwelle angeordneten
Laufschaufeln, die jeweils einen integrierten Kühlmittelkanal
aufweisen.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren
oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der
Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung
einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird
dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter
verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer
durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter
hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium
wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit
geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind
dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen
oder Schaufelreihen zusammengefaßten Laufschaufeln
angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium
die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Arbeitsmediums
in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen
benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse
verbundene Leitschaufelreihen angeordnet.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur
erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad
ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades
läßt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich
durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen,
mit dem das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die
Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa
1200 °C bis 1300 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und
auch erreicht.
Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind
jedoch die diesem ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen
thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei hoher
Zuverlässigkeit eine vergleichsweise lange Lebensdauer der
betroffenen Komponenten zu gewährleisten, ist üblicherweise
eine Kühlung der betroffenen Komponenten, insbesondere von
Lauf- und/oder Leitschaufeln der Turbineneinheit, vorgesehen.
Die Turbinenschaufeln sind daher üblicherweise kühlbar ausgebildet,
wobei insbesondere eine wirksame und zuverlässige
Kühlung der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen
ersten Schaufelreihen sichergestellt sein soll. Zur Kühlung
weist die jeweilige Turbinenschaufel dabei üblicherweise
einen in das Schaufelblatt oder das Schaufelprofil integrierten
Kühlmittelkanal auf, von dem aus ein Kühlmittel gezielt
insbesondere den thermisch belasteten Zonen der Turbinenschaufel
zuleitbar ist.
Als Kühlmittel kommt dabei beispielsweise Kühlluft zum Einsatz.
Diese wird der jeweiligen Turbinenschaufel üblicherweise
in der Art einer offenen Kühlung über einen integrierten
Kühlmittelkanal zugeführt. Von diesem ausgehend durchströmt
die Kühlluft in abzweigenden Kanälen die jeweils vorgesehenen
Bereiche der Turbinenschaufel. Austrittsseitig sind
diese Kanäle offen gelassen, so daß die Kühlluft nach dem
Durchströmen der Turbinenschaufel aus dieser austritt und
sich dabei mit dem in der Turbineneinheit geführten Arbeitsmedium
vermischt.
Auf diese Weise ist mit vergleichsweise einfachen Mitteln ein
zuverlässiges Kühlsystem für die Turbinenschaufel bereitstellbar,
wobei auch thermisch besonders belastete Zonen der
Turbinenschaufel geeignet mit Kühlmittel beaufschlagbar sind.
Andererseits ist jedoch bei der Einleitung der Kühlluft in
das in der Turbineneinheit geführte Arbeitsmedium darauf zu
achten, daß ihr Druck den des Arbeitsmediums an der Einspeisestelle
übersteigt, so daß eine problemlose Einleitung der
Kühlluft ermöglicht ist. Insbesondere ist auch die zulässige
Aufheizung der Kühlluft bei der Kühlung der Turbinenschaufeln
nur begrenzt, so daß gerade bei vergleichsweise hohen angestrebten
Austrittstemperaturen des Arbeitsmediums eine besonders
große Menge an Kühlluft erforderlich ist. Dies wirkt
sich wiederum negativ auf den Wirkungsgrad der Gasturbine und
auf Stickoxid-Emissionen aus.
Eine aus diesen Gründen wünschenswerte Einsparung an Kühlluftbedarf
ist erreichbar, indem das Kühlsystem als geschlossenes
Kühlsystem ausgebildet ist. Bei einem derartigen
geschlossenen Kühlsystem wird das verbrauchte Kühlmittel,
insbesondere Kühlluft, in den Verbrennungsprozeß zurückgeführt.
Gerade bei einem derartigen geschlossenen Kühlsystem,
bei dem die Kühlluft einem vergleichsweise hohen Druckverlust
unterliegen kann, ist jedoch üblicherweise eine orts- und
bedarfsangepaßte Bereitstellung von Kühlluft mit abhängig von
der vorgesehenen Einspeisestelle vergleichsweise hohem Druck
erforderlich. Dabei ist unter anderem auch der Druckverlust
bei der Führung der Kühlluft durch ein geschlossenes System
zu berücksichtigen. Gerade bei vergleichsweise lang ausgedehnten
Systemen kann der Druckverlust in erheblichem Maße zu
den Anforderungen an die bereitzustellende Kühlluft beitragen.
Gerade die Bereitstellung von Kühlluft mit vergleichsweise
hohem Druck bedingt jedoch eine vergleichsweise aufwendige
Konstruktion der zugeordneten Systeme, wobei insbesondere
bei hohen Druckanforderungen der zur Bereitstellung der
Kühlluft erforderliche Kühlluftverdichter je nach Betriebsbedingungen
die durch die geschlossene Kühlung erreichbaren
Wirkungsgrad- oder Leistungsvorteile teilweise oder sogar
ganz kompensieren kann.
Um Druckverluste bei der Zuführung des Kühlmittels möglichst
gering zu halten, besteht ein Erfordernis darin, an Übergangsstellen
des Kühlmittelkanals eine hohe Dichtigkeit zu
gewährleisten. Eine kritische Übergangsstelle ist dabei vor
allem der in dem Schaufelfuß angeordnete Anschluß des Kühlmittelkanals
einer Laufschaufel an einen in der Turbinenwelle
angeordneten Kanal zur Zuführung des Kühlmittels; denn gerade
die Eintrittsfläche des Kühlmittelkanals im Schaufelfuß
unterliegt einer beträchtlichen Fliehkraftbelastung sowie
einer hohen thermischen Beanspruchung. Daher kann sich der
konstruktionsbedingt - unter anderem aus Montagezwecken -
ohnehin vorhandene Spalt zwischen der Mündung des in die
Turbinenwelle integrierten Kühlmittelkanals und der Eintrittsöffnung
für das Kühlmittel im Schaufelfuß beim Betrieb
der Gasturbine in einem Maß öffnen, das eine Dichtung erforderlich
macht, um einen Verlust an Kühlmittel zu vermeiden.
Das geschilderte Problem ist zusätzlich von besonderer Bedeutung,
wenn in die Laufschaufel verschiedenartige Kühlmittel,
z. B. Kühlluft oder Dampf mit verschiedenem Druck für Vorderund
Hinterkante der Schaufel, einzuspeisen sind. In diesem
Fall müssen die jeweiligen Anschlüsse gegeneinander abgedichtet
werden, um ein Vermischen der Kühlmittel zu verhindern.
Dafür können benachbarte Eintrittsöffnungen im selben Schaufelfuß
für unterschiedliche Kühlmittel möglichst weit voneinander
entfernt angeordnet werden, so daß ein Übersprechen
nicht auftreten kann. Das ist z. B. mit Hilfe von sogenannten
Minidiscs, von denen eine vorne und eine weitere hinten am
Schaufelfuß angebracht ist, anstelle eigentlicher Kanäle zu
erreichen. Die Minidiscs können jedoch Leckageprobleme
zwischen benachbarten Bereichen bedingen und somit einen
erhöhten Dichtungsaufwand erforderlich machen. Außerdem können
keine sich kreuzenden Zuleitungen für Kühlmittelströme
verlegt werden, so daß die Einsatzmöglichkeiten eingeschränkt
sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine
der oben genannten Art anzugeben, bei der bei einer
sicheren Kühlung der Laufschaufeln der Kühlmittelbedarf
besonders gering gehalten ist und die eine zuverlässige separierte
Bespeisung der Schaufeln auch mit verschiedenen Kühlmitteln,
insbesondere mit Kühlluft verschiedener Drücke, bei
besonders geringem Serviceaufwand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein jeweils
einer Laufschaufel zugeordneter, in die Turbinenwelle integrierter
Zuleitungskanal für Kühlmittel in einem austrittsseitigen
Endbereich in seinem Querschnitt erweitert ist, und
indem im Endbereich eine in ihrer Außenkontur an den Innenquerschnitt
des Endbereichs angepaßte, in ihrer Längsrichtung
verschiebbare Zuführungsbuchse angeordnet ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß zum
einen der Bedarf an Kühlmittel für eine zuverlässige Kühlung
der Laufschaufeln besonders gering gehalten werden kann, wenn
eine Kühlmittelleckage weitestgehend ausgeschlossen ist, und
daß zum anderen eine höhere Flexibilität der Kühlung erreichbar
ist, indem die Auslegung der Kühlung so gewählt werden
kann, daß verschiedene Zuleitungen nahe benachbart angebracht
sind. Beides läßt sich realisieren, wenn eine zuverlässige
Dichtung zwischen dem Zuleitungskanal für Kühlmittel in der
Turbinenwelle und dem Kühlmittelkanal in der Laufschaufel
bereitgestellt werden kann. Dieses wiederum wird mit einfachen
Mitteln erreicht durch gezielte Nutzung der beim Betrieb
oder Gasturbine auftretenden Fliehkraft. Die Buchse, die hohl
ist für den Durchtritt des Kühlmittels, wird dann von der
Mittelachse der Turbinenwelle weg nach außen gepreßt und
liegt somit an der Unterseite des Schaufelfußes an. Dadurch
ergibt sich eine gute Dichtwirkung, da die Fliehkraft sehr
hoch ist. Sie kann, wie Versuche gezeigt haben, im Bereich
von 10.000 g liegen, wobei mit g die Erdbeschleunigung
bezeichnet ist.
Bei einer offenen Kühlung erfolgt keine Rückführung des Kühlmittels,
sondern dieses tritt nach dem Durchströmen der Turbinenschaufel
aus dieser aus und vermischt sich mit dem
Arbeitsmedium. Im Gegensatz dazu wird bei einer besonders
effektiven geschlossenen Kühlung das Kühlmittel zurückgeführt,
wozu in der Turbinenwelle ein Ableitungskanal für verbrauchtes
Kühlmittel angeordnet ist. Da der Druck des Kühlmittels
im Verlauf des Kühlmittelkanals in der Turbinenschaufel
abnimmt und da eine Gefahr des Übersprechens zwischen
verschiedenen Kanälen im wesentlichen beim Eintritt in die
Schaufel besteht, könnte beim Übergang vom Kühlmittelkanal in
den Ableitungskanal in einigen Fällen auf eine zusätzliche
Dichtung verzichtet werden. Von besonderem Vorteil ist es
aber, wenn ein jeweils einer Laufschaufel zugeordneter, in
die Turbinenwelle integrierter Ableitungskanal für Kühlmittel
in einem eintrittsseitigen Anfangsbereich in seinem Querschnitt
erweitert ist, wobei im Anfangsbereich eine in ihrer
Außenkontur an den Innenquerschnitt des Anfangsbereichs angepaßte,
in ihrer Längsrichtung verschiebbare Ableitungsbuchse
angeordnet ist. Auf diese Weise erfolgt sowohl bei der Kühlmittelzuleitung
als auch bei der Kühlmittelableitung die
Kühlwirkung verstärkend eine höchst wirkungsvolle Abdichtung
des Kühlmittels.
Die Dichtwirkung kann ohne zusätzliche Bauelemente in besonders
einfacher Weise vorteilhaft weiter erhöht werden, wenn
ein dem Zuleitungskanal zugeordneter Einlaß und/oder ein dem
Ableitungskanal zugeordneter Auslaß des Kühlmittelkanals in
einer im wesentlichen eben ausgeführten, dem Endbereich des
Zuleitungskanals und/oder dem Anfangsbereich des Ableitungskanals
zugewandten Kontaktfläche des jeweiligen Schaufelfußes
mündet. Somit wird die Zuführungsbuchse und gegebenenfalls
die Ableitungsbuchse im Betrieb der Gasturbine äußerst sicher
und mit einer großen Auflagefläche plan gegen die Kontaktfläche
des Schaufelfußes gedrückt, wodurch jegliche Leckage ausgeschlossen
wird.
Um eine besonders stabile Lage der Laufschaufel an der Turbinenwelle
und damit eine sichere Abdichtung des Kühlmittelkanals
auch über eine lange Betriebsdauer der Gasturbine zu
gewährleisten, kann der Schaufelfuß vorteilhaft in einer
Scheibennut an der Turbinenwelle angeordnet sein. Bei einer
solchen Ausführungsform wäre es grundsätzlich denkbar, den
Zuleitungskanal und gegebenenfalls auch den Ableitungskanal
für Kühlmittel in Umfangsrichtung der Turbinenwelle seitlich
in den Schaufelfuß und den in diesem geführten Kühlmittelkanal
münden zu lassen. Die bestmögliche Dichtwirkung ergibt
sich aber, wenn der austrittsseitige Endbereich des Zuleitungskanals
und/oder der eintrittsseitige Anfangsbereich des
Ableitungskanals in dem Nutgrund der Scheibennut angeordnet
ist, da auf diese Weise die Fliehkraft in voller Höhe zur
Bewirkung der Abdichtung beitragen kann.
Eine Abdichtung des Kühlmittelkanals wird auch erreicht, wenn
die Zuführungsbuchse und gegebenenfalls die Ableitungsbuchse
auf einer Geraden verschiebbar ist, die die Mittelachse der
Turbinenwelle nicht schneidet. In diesem Fall bewirkt lediglich
die in Richtung genannter Geraden verlaufende Komponente
der Fliehkraft die Abdichtung. Eine besonders gute Dichtwirkung
wird hingegen erzielt, wenn vorteilhaft die Zuführungsbuchse
und/oder die Ableitungsbuchse bezogen auf die Mittelachse
der Turbinenwelle radial verschiebbar sind/ist. Somit
ist die Zuführungsbuchse und/oder die Ableitungsbuchse genau
in Richtung der Fliehkraft ausgerichtet, was deren optimale
Ausnutzung zur Abdichtung ermöglicht.
Um die Leckage noch weiter zu verringern, ist vorteilhafterweise
auch eine Abdichtung des außerhalb der jeweiligen
Buchse mit dem zugeordneten Kanalstück gebildeten Ringraums
vorgesehen. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die
jeweilige Buchse dazu an ihrem vom Schaufelfuß abgewandten
Ende abgeschrägt ausgeführt und mit einem umlaufenden Dichtring
versehen.
Bei der Gasturbine ist vorzugsweise Luft als Kühlmittel vorgesehen,
das in diesem Fall besonders einfach bereitzustellen
und handzuhaben ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß durch die in ihrer Längsrichtung verschiebbaren
Zuführungsbuchse für Kühlmittel, die im Endbereich eines
in die Turbinenwelle integrierten Zuleitungskanals angeordnet
und in diesen eingepaßt ist, eine im Betrieb der Gasturbine
mit der Fliehkraft steigende Abdichtung von dem Zuleitungskanal
und einem Kühlmittelkanal in einer Laufschaufel erreicht
wird, wodurch verschiedene Zuleitungen nahe benachbart angebracht
werden können und ein Kühlmittelverlust verhindert
wird. Zudem sind eine Ausnehmung, beispielsweise eine Bohrung,
zur Bereitstellung des Endbereichs des Zuleitungskanals
sowie die Buchse als solche mit extrem geringen Fertigungstoleranzen
herstellbar, da es sich hierbei vorzugsweise um
Rundkörper handelt. Aufgrund der geringen Toleranzen ist eine
hohe Dichtwirkung auch entlang der Längsrichtung der Buchse
erzielbar. Zudem ist die jeweilige Laufschaufel mit besonders
geringem Aufwand montierbar oder demontierbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- Figur 1
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
- Figur 2
- einen vergrößerten Halbschnitt durch eine Laufschaufel der Gasturbine nach Figur 1,
- Figur 3
- eine Explosionsdarstellung eines Verbindungsbereichs einer Turbinenwelle mit einer weiteren Laufschaufel, und
- Figur 4
- im Ausschnitt eine Zuführungs- oder Ableitungsbuchse.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen
versehen.
Die Gasturbine 1 noch Figur 1 weist einen Verdichter 2 für
Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum
Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators
oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine
6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer
bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der
auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist und
die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist.
Die Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur
Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
Sie ist weiterhin an ihrer Innenwand mit nicht näher
dargestellten Hitzeschildelementen versehen.
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8
verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln
12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet
und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin
umfaßt die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln
14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von
Leitschaufelreihen an einer Innenwand 16 der Turbine 6 befestigt
sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der
Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden
Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen
zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils
zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen
aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen.
Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von
Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem
Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird
dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete
Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel
14 an der Innenwand 16 der Turbine 6 als Wandelement
angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise
stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung
eines Heißgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende
Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger
Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20
an der Turbinenwelle 8 befestigt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen
18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen
ist jeweils ein Führungsring 21 an der Innenwand 16 der
Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings
21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden
Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung
vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufel
12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen
benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21
dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand
16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen
Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende
heiße Arbeitsmedium M schützt.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist
die Gasturbine 1 für eine vergleichsweise hohe Austrittstemperatur
des aus der Brennkammer 4 austretenden Arbeitsmediums
M von etwa 1200 °C bis 1300 °C ausgelegt. Um dies zu ermöglichen,
sind zumindest einige der Laufschaufeln 12 und der
Leitschaufeln 14 durch Kühlluft als Kühlmedium kühlbar ausgelegt.
In Figur 2 ist eine mittels eines Schaufelfußes 20 auf der
Turbinenwelle 8 angeordnete Laufschaufel 12 der Gasturbine
vergrößert dargestellt. Die Laufschaufel 12 weist einen in
sie integrierten Kühlmittelkanal 24 auf, dessen Verlauf hier
nur stark vereinfacht wiedergegeben ist, und der daher
gestrichelt gezeichnet ist. In dem Kühlmittelkanal 24 wird
Luft als Kühlmittel K zur Verminderung der thermischen Belastung
der Laufschaufel 12 geführt, wobei eine Bespeisung des
Kühlmittelkanals 24 durch einen in die Turbinenwelle 8 integrierten,
hier nur vereinfacht dargestellten Zuleitungskanal
26 erfolgt. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels K wird
durch Pfeile 28 angegeben. In seinem austrittsseitigen Endbereich
30 ist der Zuleitungskanal 26 erweitert, und in diesem
Endbereich 30 ist eine in ihrer Längsrichtung L1 verschiebbare
Zuführungsbuchse 32 angeordnet. Die Außenkontur der
Zuführungsbuchse 32 ist an den Innenquerschnitt des Endbereichs
30 des Zuleitungskanals 26 angepaßt, so daß die Buchse
32 dichtend an der Innenwandung des Zuleitungskanals 26
anliegt.
Die Laufschaufel 12 weist eine geschlossene Kühlung auf, was
bedeutet, daß das Kühlmittel K aus der Laufschaufel 12 abgeleitet
und rückgeführt wird. Diese Ableitung und Rückführung
erfolgt mittels eines in die Turbinenwelle 8 integrierten
Ableitungskanals 34. Der Übergang vom Kühlmittelkanal 24 zum
Ableitungskanal 34 ist analog dem Übergang vom Zuleitungskanal
26 zum Kühlmittelkanal 24 aufgebaut: Der Ableitungskanal
34 ist in einem eintrittsseitigen Anfangsbereich 36 mit einem
erweiterten Querschnitt versehen, wobei in dem Anfangsbereich
36 eine in ihrer Längsrichtung L2 verschiebbare Ableitungsbuchse
38, deren Außenkontur an den Innenquerschnitt des
Anfangsbereichs 36 dichtend angepaßt ist, angeordnet ist.
Sowohl die Zuführungsbuchse 32 als auch die Ableitungsbuchse
38 sind bezogen auf die Mittelachse 9 der Turbinenwelle 8
radial verschiebbar.
Beim Betrieb der Gasturbine öffnet sich aufgrund der Fliehkraft
ein Spalt 40 zwischen Schaufelfuß 20 und Turbinenwelle
8. Gleichzeitig gleiten aber - ebenfalls aufgrund der Fliehkraft
- sowohl die Zuführungsbuchse 32 als auch die Ableitungsbuchse
38 in dem querschnittserweiterten Endbereich 30
des Zuleitungskanals 26 und in dem querschnittserweiterten
Anfangsbereich 36 des Ableitungskanals 34 nach außen, d. h.
in Richtung des Schaufelfußes 20. Nach Überbrückung von Zwischenräumen
42, 44 in dem Endbereich 30 und in dem Anfangsbereich
36 kommen die Zuführungsbuchse 32 und die Ableitungsbuchse
38 an dem Schaufelfuß 20 zur Anlage, so daß sowohl der
Übergang vom Zuleitungskanal 26 zum Kühlmittelkanal 24 als
auch vom Kühlmittelkanal 24 zum Ableitungskanal 34 seitlich
leckagefrei geschlossen bleibt. Selbst bei einer Vergrößerung
des Spaltes 40, z. B. hervorgerufen durch eine Erhöhung der
Drehzahl der Turbinenwelle 8, sind die Kanalübergänge abgedichtet,
da die Buchsen 32, 38 permanent und bei Vergrößerung
der Fliehkraft entsprechend verstärkt gegen den Schaufelfuß
20 gepreßt werden.
Eine Explosionsdarstellung eines Verbindungsbereichs einer
Turbinenwelle 8 mit einer weiteren Laufschaufel 12 einer
Gasturbine zeigt Figur 3. Dabei ist ein einen Kühlmittelkanal
24 aufweisender Schaufelfuß 20 in einer Scheibennut 46 an der
Turbinenwelle 8 angeordnet. Ferner ist die Turbinenwelle 8
mit einem Zuleitungskanal 26 und einem Ableitungskanal 34 für
Kühlmittel versehen, wobei der Zuleitungskanal 26 in einem
Endbereich 30 und der Ableitungskanal 34 in einem Anfangsbereich
36 mit einer Querschnittserweiterung versehen ist. In
dem Endbereich 30 ist eine Zuführungsbuchse 32 und in dem
Anfangsbereich 36 eine Ableitungsbuchse 38 verschiebbar gelagert.
Ein dem Zuleitungskanal 26 zugeordneter Einlaß 48 und ein dem
Ableitungskanal 34 zugeordneter Auslaß 50 des Kühlmittelkanals
24 mündet jeweils in einer eben ausgeführten Kontaktfläche
52, die dem Endbereich 30 des Zuleitungskanals 26 und dem
Anfangsbereich 36 des Ableitungskanals 34 zugewandt ist. Beim
Betrieb der Gasturbine werden aufgrund der Fliehkraft die
Buchsen 32, 38 gegen die ebene Kontaktfläche 52 gepreßt,
wodurch sich dichte Übergänge zwischen den Kanälen 24, 26, 34
ergeben. Dazu ist sowohl der austrittsseitige Endbereich 30
des Zuleitungskanals 26 als auch der eintrittsseitige
Anfangsbereich 36 des Ableitungskanals 34 in dem Nutgrund 54
der Scheibennut 46 angeordnet.
Der in Figur 3 gezeigte Ableitungskanal 34 könnte auch ein
weiterer Zuleitungskanal sein, durch den ein anderes Kühlmittel
als durch den Zuleitungskanal 26 dem Schaufelfuß 20
zuführbar ist. Für die Ausbildung der Buchsen 32, 38 in den
erweiterten Bereichen 30, 36 der Kanäle 26, 34 sowie des
Schaufelfußes 20 würden sich dadurch keine Änderungen ergeben.
Durch die mit den Buchsen 32, 38 im Betrieb der Gasturbine
erzielte Abdichtung ist ein Übersprechen zwischen den
Kanälen 26, 34 ausgeschlossen.
Wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 gezeigt, kann die
Führungsbuchse 32 und/oder die Abteilungsbuchse 38 an ihrem
jeweiligen, dem Schaufelfuß 18 bzw. 20 abgewandten Ende 60
abgeschrägt ausgeführt sein. Dadurch ist ein zugeordneter
Dichtring 62 einsetzbar, der den Ringraum 64 zwischen der
jeweiligen Buchse 32, 38 und der Innenwand des Endbereichs 30
bzw. des Anfangsbereichs 36 abdichtet. Somit sind auch durch
den Ringraum 64 möglicherweise auftretende Leckagen
zuverlässig unterbunden.
Claims (7)
- Gasturbine (1) mit einer Anzahl von über einen Schaufelfuß (20) an einer Turbinenwelle (8) angeordneten Laufschaufeln (12), die jeweils einen integrierten Kühlmittelkanal (24) aufweisen, wobei ein jeweils einer Laufschaufel (12) zugeordneter, in die Turbinenwelle (8) integrierter Zuleitungskanal (26) für Kühlmittel (K) in einem austrittsseitigen Endbereich (30) in seinem Querschnitt erweitert ist und wobei im Endbereich (30) eine in ihrer Außenkontur an den Innenquerschnitt des Endbereichs (30) angepaßte, in ihrer Längsrichtung (L1) verschiebbare Zuführungsbuchse (32) angeordnet ist.
- Gasturbine nach Anspruch 1, bei der ein jeweils einer Laufschaufel (12) zugeordneter, in die Turbinenwelle (8) integrierter Ableitungskanal (34) für Kühlmittel (K) in einem eintrittsseitigen Anfangsbereich (36) in seinem Querschnitt erweitert ist, wobei im Anfangsbereich (36) eine in ihrer Außenkontur an den Innenquerschnitt des Anfangsbereichs (36) angepaßte, in ihrer Längsrichtung (L2) verschiebbare Ableitungsbuchse (38) angeordnet ist.
- Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein dem Zuleitungskanal (26) zugeordneter Einlaß (48) und/oder ein dem Ableitungskanal (34) zugeordneter Auslaß (50) des Kühlmittelkanals (24) in einer im wesentlichen eben ausgeführten, dem Endbereich (30) des Zuleitungskanals (26) und/oder dem Anfangsbereich (36) des Ableitungskanals(34) zugewandten Kontaktfläche (52) des jeweiligen Schaufelfußes (20) mündet.
- Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Schaufelfuß (20) in einer Scheibennut (46) an der Turbinenwelle (8) angeordnet ist.
- Gasturbine nach Anspruch 4, bei der der austrittsseitige Endbereich (30) des Zuleitungskanals (26) und/oder der eintrittsseitige Anfangsbereich (36) des Ableitungskanals (34) in dem Nutgrund (54) der Scheibennut (46) angeordnet ist.
- Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Zuführungsbuchse (32) und/oder die Ableitungsbuchse (38) bezogen auf die Mittelachse (9) der Turbinenwelle (8) radial verschiebbar sind/ist.
- Gasturbine nach einem Ansprüche 1 bis 6, bei der als Kühlmittel Luft vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP01119265A EP1283328A1 (de) | 2001-08-09 | 2001-08-09 | Dichtungsbuchse für gekühlte Gasturbinenschaufeln |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP01119265A EP1283328A1 (de) | 2001-08-09 | 2001-08-09 | Dichtungsbuchse für gekühlte Gasturbinenschaufeln |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP1283328A1 true EP1283328A1 (de) | 2003-02-12 |
Family
ID=8178288
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP01119265A Withdrawn EP1283328A1 (de) | 2001-08-09 | 2001-08-09 | Dichtungsbuchse für gekühlte Gasturbinenschaufeln |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1283328A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP2312124A3 (de) * | 2009-10-14 | 2011-11-16 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Dichtungsanordnung in einem Gasturbinenmotor |
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DE19644543A1 (de) * | 1996-10-26 | 1998-04-30 | Asea Brown Boveri | Vorrichtung zur Dichtung des Strömungsüberganges eines Kühlmediums zwischen Rotor und Laufschaufel |
EP0860586A2 (de) * | 1997-02-21 | 1998-08-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Verbindungsstück zur Zufuhr von Kühlfluid von einer Rotorscheibe zu einer Turbomaschinenschaufel |
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-
2001
- 2001-08-09 EP EP01119265A patent/EP1283328A1/de not_active Withdrawn
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