EP1505254B1 - Gasturbine und zugehöriges Kühlverfahren - Google Patents

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EP1505254B1
EP1505254B1 EP04103627.8A EP04103627A EP1505254B1 EP 1505254 B1 EP1505254 B1 EP 1505254B1 EP 04103627 A EP04103627 A EP 04103627A EP 1505254 B1 EP1505254 B1 EP 1505254B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam
cooling
gas turbine
lying
guide
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP04103627.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1505254A3 (de
EP1505254A2 (de
Inventor
Dilip Mukherjee
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ansaldo Energia Switzerland AG
Original Assignee
General Electric Technology GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Technology GmbH filed Critical General Electric Technology GmbH
Publication of EP1505254A2 publication Critical patent/EP1505254A2/de
Publication of EP1505254A3 publication Critical patent/EP1505254A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1505254B1 publication Critical patent/EP1505254B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • 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
    • F01D5/186—Film cooling
    • 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
    • F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • F05D2260/2322—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine, in particular in a power plant.
  • the invention also relates to an associated method for cooling the gas turbine.
  • Much of the electricity needed is generated in power plants using steam and / or gas turbines.
  • the efficiency of these systems is determined by the inlet temperature of the working medium (gas or steam). If higher efficiencies are to be realized, then one has to go to higher temperatures. By these temperature increases, however, the limit of the material stress is reached very quickly. Therefore, to increase the efficiency of an increased cooling of the steam and / or gas turbine is required.
  • the usual cooling medium of the hot gas-carrying components in a gas turbine is air, taken from the final or intermediate stage of the compressor.
  • Critical locations are the combustion chamber lining, the first guide blade row, the first blade row, the turbine rotor and the rear compressor section.
  • the steam cooling can be carried out as an open or closed system.
  • an open system for example, film cooling of the blades
  • the steam after it has fulfilled its cooling task, admixed with the working gas and thereby increases performance and efficiency on the gas turbine.
  • the present invention deals with the problem of providing a gas turbine of the kind mentioned an improved embodiment, with which in particular a higher performance and a longer life of the critical components can be achieved.
  • the invention is based on the general idea, in a gas turbine, which is formed with a conventional air cooling device for cooling parts of the gas turbine by means of air, in addition to provide a steam cooling device which is designed for cooling parts of the gas turbine by means of steam.
  • the cooling of a rotor and a stator of the gas turbine is conventionally carried out with air, while in addition a small amount of steam, e.g. From the inlet to the turbine to the exit from the turbine along a rotor shell parallel to the hot gas flow flows. Due to its higher heat capacity and lower viscosity, steam is in principle a better cooling medium than air. Steam instead of cooling air also reduces the required amount of cooling medium by approx. 50%.
  • the essential advantage of the invention is that the power of the additionally steam-cooled gas turbine increases compared to the conventional air-cooled gas turbine by about 2 to 5%. This results from the higher turbine inlet temperature which results in higher power. It is also noteworthy that only a comparatively small amount of steam applied in a targeted manner is needed in order to achieve intensive cooling of the gas turbine together with the air cooling.
  • the steam cooling device may be designed at least for cooling the inner inner lining and / or the inner outer lining of the combustion chamber and / or the guide vanes and / or hub-side covering elements of the vanes, and / or for a steam guide to do so is formed, that from the row of vanes along a rotor shell, a vapor film is formed.
  • This steam film protects the rotor from contact with the hot gas flow and thus leads to an extended life of the critical components of the gas turbine.
  • the steam cooling device for cooling an upstream region of the Guide vanes and the air cooling device may be formed for cooling a downstream region of the guide vanes.
  • This offers the advantage that the guide vanes are intensively cooled with steam in the thermally more heavily loaded inflow region.
  • the invention uses the knowledge that the air cooling is sufficient to cool the thermally less heavily loaded discharge area, whereby a sufficient blade cooling is achieved with relatively little energy. If the injected for cooling steam exits through outlet openings back into the hot gas stream, it creates on the outer skin of the respective vane a fine vapor layer, which lays over the vanes and this protects similar to the rotor shell in the manner described above from direct contact with the hot gas stream and thus contributes to the robustness of the gas turbine.
  • the steam required for the steam cooling device can advantageously be taken from a waste heat boiler of a steam turbine, which is coupled to the gas turbine.
  • the steam cooling thus requires no additional steam generator.
  • a gas turbine 1 according to the invention comprises a combustion chamber 2 (burner not shown), a stator 5, a rotor 8 and an air cooling device 31 only partially shown and also shown only partially steam cooling device 32.
  • the combustion chamber 2 is of an inner lining 3 and an inner outer lining 4 surrounded.
  • a hot gas stream 28 heated in the combustion chamber 2 strikes at least one row of guide vanes 6 with a plurality of guide vanes 7, which each have an inflow-side region 14 and an outflow-side region 15.
  • a blade row 9 with a plurality of blades 10, which form part of the rotor 8.
  • the steam cooling device 32 comprises a first cooling channel 24, which is arranged in the inner outer lining and is traversed by steam D during operation of the steam cooling device 32.
  • the first cooling channel 24 communicates at the end via an outer cover plate 29 with a third cooling channel 25, which is integrated in the guide blade 7.
  • the third cooling channel 25 is arranged in the inflow-side region 14 of the guide blade 7 and has Outlet openings 27, which communicate with the hot gas stream 28 on an outer side of the respective vane 7.
  • the third cooling channel 27 communicates at the end with hub-side cover elements 11, so that the remaining, not exited through the outlet openings 27 steam D flows into the hub-side cover 11 and this also cools.
  • outlet openings 27 ' are provided on the hub-side covering elements 11, from which the vapor D exits into the gas turbine 1 in the region of an inlet 21.
  • the goal here is that most of the vapor D exits through the outlet openings 27 '.
  • a second cooling channel 23 which runs essentially parallel to the hot gas stream 28 in the direction of the guide vanes 7, is arranged in the inner inner lining 3.
  • the second cooling channel 23 communicates at the end via outlet openings 27 ", which are arranged in the region of the hub-side cover elements 11, with the hot gas stream 28 at the inlet of the gas turbine 1.
  • the steam D required for the steam cooling device 32 can advantageously be taken from steam generators, not shown, in particular from a waste heat boiler, a startup steam generator or a steam turbine, which is coupled to the gas turbine. An additional steam generator for steam cooling is therefore not needed.
  • the air cooling device 31 comprises a fourth cooling channel 26 which is integrated into the guide vanes 7 in the downstream region 15.
  • the cooling channel 26 is on the input side with a cooling air source, not shown., An end or intermediate stage of a compressor, connected and output side via outlet openings 27 '' with the hot gas stream 28 and an interior of the Gas turbine 1 communicate.
  • the fourth cooling channel 26 is traversed by air L and cooled by it.
  • the blade row 9 Downstream of the guide vane row 6, the blade row 9 is arranged with a plurality of blades 10.
  • the blades 10 are cooled as in conventional gas turbines 1 with air L, which flows in the illustrated embodiment, the rotor side in the blades 10.
  • the air cooling device 31 is formed according to the illustrated embodiment, both for cooling the blades 10 and arranged downstream of the vanes 7 heat accumulators 19.
  • the cooling of the heat accumulation elements 19 takes place by cooling the side facing away from the hot gas flow 28 side of the heat accumulation elements 19.
  • Air L are injected directly downstream of the blades 10 in the gas turbine 1 and thus cause and / or enhance a cooling of the heat accumulation elements 19 on the side facing the hot gas flow 28 and the rotor shell 12.
  • the invention proposes combined cooling by means of steam D and air L.
  • the preferably slightly superheated steam D of the steam cooling device 32 flows into designated cooling channels 23 of the inner lining 3 (inner liner) and cooling channels 24 of the inner outer lining 4 (outer liner) from the burner side.
  • the inflowing steam D emerges from the end of the second cooling channel 24 and is then forwarded via a guide blade outer cover plate 29 into an adjoining third cooling channel 25.
  • the steam D flows into the hub-side cover plate 11 of the guide vane 7 and through outlet openings 27 'in the gas turbine 1.
  • the steam D flows through outlet openings 27 in the upstream region 14 of the vanes 7 in the gas turbine 1.
  • the goal here is that the majority of the steam D exits at the hub.
  • Another vapor stream D is fed to the inner liner 3 on the burner side and flows through cooling channels 23 of the inner liner 3 parallel to the hot gas flow 28 to the outlet opening 27 "in the region of the hub side cover 11.
  • the two vapor streams D of the inner liner 3 and the hub side cover plate 11 form Due to the higher density of the steam D compared to the hot gas stream 28 during the expansion along the turbine 1 downstream of the guide vanes 7 a steam curtain or film 13 of a certain current thickness along the rotor shell 12 or edge of the hot gas stream 28.
  • This steam film 13 protects the rotor eighth before contact with the hot gas stream 28 and leads thereby to an extended life of the critical components of the gas turbine.
  • the inner lining 3 and the inner outer lining 4 are cooled with steam D.
  • the amount of steam required for this is about 50% of the amount of cooling air.
  • the need for cooling slightly superheated steam D is preferably taken from a waste heat boiler, not shown. It can be provided that both the first cooling channel 24 and the second cooling channel 23 from a common or from a separate waste heat boiler (s) can be fed.
  • the power of the gas turbine 1 operated with the combined air or steam cooling increases by about 2 to 5 percent compared with the conventional air-cooled gas turbine, which can be explained as follows in a combined gas turbine steam turbine plant:
  • the steam turbine power decreases as a result of the removal slightly overheated steam D from the waste heat boiler slightly, whereas the heat output of the waste heat boiler increases as a result of the larger amount from the gas turbine. Almost the largest part of this power is therefore recovered as a result of the relaxation of the steam after cooling the inner lining 3,4 and the guide vanes 7 at a much higher temperature and up to 1 bar in the gas turbine 1.
  • the saved amount of cooling air of the guide vanes 7 flows through the combustion chamber 2 and participates in the combustion process, whereby an additional power of the gas turbine 1 is achieved.
  • the gas turbine 1 is shown in another embodiment, which is designed to carry out a sequential combustion.
  • a high-pressure combustion chamber 2 'and a Hochdruckleitschaufelschsch 42 with several high-pressure guide vanes 16 and at least one high-pressure blade row 17 is provided with a plurality of high-pressure blades 18, which are followed downstream of a low-pressure combustion chamber, not shown, and a low-pressure turbine.
  • the high pressure blades 18 and the high pressure vanes 16 are cooled at least in their Anström Jardin with steam D, while the trailing edges of the high pressure vanes 16 can be cooled either also with steam or conventional with air.
  • the design of the various cooling channels is designed so that a certain amount of steam flows through the high-pressure guide vanes 16 into the hub-side cover elements 11.
  • a large part of the steam D then flows similar to in Fig. 1 via outlet openings 27 'in the gas turbine 1 a.
  • the other part of the steam D flows into a gap 30, which is arranged below the rotor shell 12 and between the high pressure vanes 16 and the high pressure blades 18, to be sucked from there by the high pressure blades 18 for cooling.
  • a portion of the steam D blocks the described gap 30 between Hochdruckleit- and high-pressure blades 16,18 with a certain amount of blown steam D.
  • the remaining components are air-cooled.
  • FIG. 2 illustrated gas turbine 1 with sequential combustion generated by the outlet openings 27 'vapor D produced a vapor film 13 which surrounds the rotor shell 12 and protects it from direct contact with the hot gas stream 28.
  • Fig. 3 an embodiment variant for cooling a high-pressure compressor 20 is shown.
  • suitable heat accumulation elements 19 are arranged between the high-pressure guide vanes 16 and the high-pressure blades 18 on the rotor shell 12 and with slightly superheated steam D, which at Fed to the end of the high pressure compressor 20 and after a certain distance at the end of the high pressure compressor 20 is returned, cooled.
  • the cooling of the rotor 8 and the stator 5 is carried out conventionally with air L.
  • air L now flows a small amount of steam from the inlet 21 into the gas turbine 1 to the exit from the gas turbine 1 along the rotor shell 12 parallel to the hot gas stream 28. Due to the higher density of the vapor D compared to the hot gas stream 28 thereby remains a vapor film 13 on the rotor shell 12 and protects it from direct contact with the hot gas stream 28.
  • the advantages of the invention are that the power of the additionally cooled with steam D gas turbine 1 compared to the conventional air-cooled gas turbine 1, for example by about 2 to 5%, increases and at the same time due to the vapor film 13 a longer life of the critical components can be achieved ,

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere in einer Kraftwerksanlage. Die Erfindung betrifft außerdem ein zugehöriges Verfahren zum Kühlen der Gasturbine.
    • Stand der Technik
  • Ein Großteil der benötigten elektrischen Energie wird in Kraftwerken mit Hilfe von Dampf- und/oder Gasturbinen erzeugt. Der Wirkungsgrad dieser Anlagen ist entscheidend durch die Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums (Gas oder Dampf) bestimmt. Sollen höhere Wirkungsgrade realisiert werden, so muss man zu höheren Temperaturen übergehen. Durch diese Temperaturerhöhungen wird jedoch sehr schnell die Grenze der Materialbeanspruchung erreicht. Deshalb ist zur Steigerung des Wirkungsgrades eine verstärkte Kühlung der Dampf- und/oder Gasturbine erforderlich. Das übliche Kühlmedium der heißgasführenden Bauteile in einer Gasturbine ist Luft, entnommen aus der End- oder Zwischenstufe des Verdichters. Kritische Stellen sind dabei die Brennkammerauskleidung, die erste Leitschaufelreihe, die erste Laufschaufelreihe, der Turbinenrotor und der hintere Verdichterabschnitt.
  • Generell ist aber auch eine Kühlung von Dampf- oder Gasturbinen mittels Dampf bekannt ( DE 3003347 ). Dampf ist aufgrund seiner höheren Wärmekapazität und seiner kleineren Viskosität prinzipiell ein besseres Kühlmedium als Luft. Dampf anstelle von Kühlluft reduziert zudem die spezifische Verdichterleistung durch den Wegfall der Druckverluste der Kühlluft und vermindert die NOX-Emissionen durch eine bei gleicher Turbineneintrittstemperatur niedrigere Brennkammertemperatur.
  • US 4,413,477 beschreibt die generelle Möglichkeit, Brennkammerkomponenten mit Dampf zu kühlen, wobei keine spezifischen Ausgestaltungen offenbart werden.
  • Aus dem Stand der Technik ( EP 0 955 449 A1 , EP 0 911 489 A1 , EP 0 911 489 und US 4,571,935 ) sind Gasturbinen bekannt, deren Leitschaufeln teilweise mit Dampf und teilweise mit Luft gekühlt werden. Dabei erfolgt die Dampfkühlung als geschlossenes System, um den Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage zu verbessern. Aus EP 392 664 ist bekanntgeworden, einen Teil des zur Kühlung einer Schaufel verwendeten Dampfes an der Hinterkante der Schaufel auszublasen, während ein anderer Teil des Dampfes in einem geschlossenen System zurückgeführt wird.
  • Die Dampfkühlung kann als offenes oder als geschlossenes System ausgeführt werden. Bei einem offenen System (z. B. Filmkühlung der Schaufeln) wird der Dampf, nachdem er seine Kühlaufgabe erfüllt hat, dem Arbeitsgas zugemischt und wirkt dadurch leistungs- und wirkungsgradsteigernd auf die Gasturbine.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Gasturbine eingangs erwähnter Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, mit welcher insbesondere eine höhere Leistung sowie eine verlängerte Lebensdauer der kritischen Bauteile erreicht werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Gasturbine, welche mit einer herkömmlichen Luftkühleinrichtung zur Kühlung von Teilen der Gasturbine mittels Luft ausgebildet ist, zusätzlich eine Dampfkühleinrichtung vorzusehen, welche zur Kühlung von Teilen der Gasturbine mittels Dampf ausgebildet ist.
  • Beispielsweise wird die Kühlung eines Rotors und eines Stators der Gasturbine konventionell mit Luft ausgeführt, während zusätzlich eine kleine Dampfmenge z.B. vom Eintritt in die Turbine bis zum Austritt aus der Turbine entlang eines Rotormantels parallel zum Heißgasstrom strömt. Dampf ist aufgrund seiner höheren Wärmekapazität und seiner kleineren Viskosität prinzipiell ein besseres Kühlmedium als Luft. Dampf anstelle von Kühlluft reduziert zudem die benötigte Kühlmediummenge um ca. 50 %.
  • Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Leistung der zusätzlich mit Dampf gekühlten Gasturbine gegenüber der konventionellen luftgekühlten Gasturbine um ca. 2 bis 5 % zunimmt. Dies resultiert aus der höheren Turbineneintrittstemperatur, welche zu einer höheren Leistung führt. Bemerkenswert ist außerdem, dass nur eine vergleichsweise kleine, gezielt applizierte Dampfmenge benötigt wird, um zusammen mit der Luftkühlung eine intensive Kühlung der Gasturbine zu erzielen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann vorgesehen sein, dass die Dampfkühleinrichtung zumindest zur Kühlung der innenliegenden Innenverkleidung und/oder der innenliegenden Außenverkleidung der Brennkammer und/oder der Leitschaufeln und/oder nabenseitiger Abdeckelemente der Leitschaufeln ausgebildet ist, und/oder dass eine Dampfführung so ausgebildet ist, dass ab der Leitschaufelreihe entlang eines Rotormantels ein Dampffilm entsteht.
    Dieser Dampffilm schützt den Rotor vor Kontakt mit dem Heißgasstrom und führt dadurch zu einer verlängerten Lebensdauer der kritischen Bauteile der Gasturbine.
  • Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Dampfkühleinrichtung zur Kühlung eines anströmseitigen Bereichs der Leitschaufeln und die Luftkühleinrichtung zur Kühlung eines abströmseitigen Bereichs der Leitschaufeln ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Leitschaufeln im thermisch stärker belasteten Anströmbereich intensiv mit Dampf gekühlt werden. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass zur Kühlung des thermisch weniger stark belasteten Abströmungsbereichs die Luftkühlung ausreicht, wodurch mit vergleichsweise wenig Energie eine hinreichende Schaufelkühlung erreicht wird. Sofern der zur Kühlung eingeblasene Dampf über Austrittsöffnungen wieder in den Heißgasstrom austritt, erzeugt er an der Außenhaut der jeweiligen Leitschaufel eine feine Dampfschicht, welche sich über die Leitschaufeln legt und diese ähnlich dem Rotormantel in oben beschriebener Weise vor direktem Kontakt mit dem Heißgasstrom schützt und damit zur Robustheit der Gasturbine beiträgt.
  • Der für die Dampfkühleinrichtung benötigte Dampf kann vorteilhaft aus einem Abhitzekessel einer Dampfturbine entnommen werden, welche mit der Gasturbine gekoppelt ist. Die Dampfkühlung erfordert somit keinen zusätzlichen Dampferzeuger.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Merkmale bezieht.
  • Es zeigen, jeweils schematisch
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Gasturbine,
    Fig. 2
    eine Darstellung wie in Fig. 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
    Fig. 3
    einen Längsschnitt durch einen Hochdruckverdichter.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Gasturbine 1 nach der Erfindung eine Brennkammer 2 (Brenner nicht dargestellt), einen Stator 5, einen Rotor 8 sowie eine nur teilweise dargestellte Luftkühleinrichtung 31 und eine ebenfalls nur zum Teil dargestellte Dampfkühleinrichtung 32. Die Brennkammer 2 wird von einer innenliegenden Innenverkleidung 3 und einer innenliegenden Außenverkleidung 4 umgeben. In Strömungsrichtung nach der Brennkammer 2 trifft ein in der Brennkammer 2 erhitzter Heißgasstrom 28 auf zumindest eine Leitschaufelreihe 6 mit mehreren Leitschaufeln 7, welche jeweils einen anströmseitigen Bereich 14 und einen abströmseitigen Bereich 15 aufweisen. Danach folgt eine Laufschaufelreihe 9 mit mehreren Laufschaufeln 10, welche einen Teil des Rotors 8 bilden.
    Gemäß Fig. 1 umfasst die Dampfkühleinrichtung 32 einen ersten Kühlkanal 24, der in der innenliegenden Außenverkleidung angeordnet und im Betrieb der Dampfkühleinrichtung 32 von Dampf D durchströmt ist. Der erste Kühlkanal 24 kommuniziert endseitig über eine Außendeckplatte 29 mit einem dritten Kühlkanal 25, welcher in die Leitschaufel 7 integriert ist. Der dritte Kühlkanal 25 ist im anströmseitigen Bereich 14 der Leitschaufel 7 angeordnet und weist Austrittsöffnungen 27 auf, welche auf einer Außenseite der jeweiligen Leitschaufel 7 mit dem Heißgasstrom 28 in Verbindung stehen. Der dritte Kühlkanal 27 kommuniziert endseitig mit nabenseitigen Abdeckelementen 11, so dass der restliche, nicht durch die Austrittsöffnungen 27 ausgetretene Dampf D in die nabenseitigen Abdeckelemente 11 einströmt und diese ebenfalls kühlt. Ähnlich den Austrittsöffnungen 27 am anströmseitigen Bereich 14 der Leitschaufel 7 sind Austrittsöffnungen 27' an den nabenseitigen Abdeckelementen 11 vorgesehen, aus welchen der Dampf D im Bereich eines Eintritts 21 in die Gasturbine 1 austritt. Das Ziel ist hierbei, dass der größte Teil des Dampfes D durch die Austrittsöffnungen 27' austritt.
  • Des weiteren ist in der innenliegenden Innenverkleidung 3 ein zweiter Kühlkanal 23 angeordnet, welcher im Wesentlichen parallel zum Heißgasstrom 28 in Richtung der Leitschaufeln 7 verläuft. Der zweite Kühlkanal 23 kommuniziert endseitig über Austrittsöffnungen 27", welche im Bereich der nabenseitigen Abdeckelemente 11 angeordnet sind, mit dem Heißgasstrom 28 am Eingang der Gasturbine 1.
  • Der für die Dampfkühleinrichtung 32 benötigte Dampf D kann vorteilhaft von nicht dargestellten Dampfgeneratoren, insbesondere aus einem Abhitzekessel, einem Startup-Dampferzeuger oder einer Dampfturbine entnommen werden, welche mit der Gasturbine gekoppelt ist. Ein zusätzlicher Dampferzeuger für die Dampfkühlung wird somit nicht benötigt.
  • Gemäß Fig. 1 umfasst die Luftkühleinrichtung 31 einen vierten Kühlkanal 26 der im abströmseitigen Bereich 15 in die Leitschaufeln 7 integriert ist. Der Kühlkanal 26 ist eingangsseitig mit einer nicht dargestellten Kühlluftquelle, beispw. einer End- oder Zwischenstufe eines Verdichters, verbunden und kann ausgangsseitig über Austrittsöffnungen 27"' mit dem Heißgasstrom 28 bzw. einem Inneren der Gasturbine 1 kommunizieren. Im Unterschied zum ersten, zweiten und dritten Kühlkanal 24,23,25 und den nabenseitigen Abdeckelementen 11, wird der vierte Kühlkanal 26 von Luft L durchströmt und durch diese gekühlt.
  • Stromab der Leitschaufelreihe 6 ist die Laufschaufelreihe 9 mit mehreren Laufschaufeln 10 angeordnet. Die Laufschaufeln 10 sind wie bei herkömmlichen Gasturbinen 1 mit Luft L gekühlt, welche in der dargestellten Ausführungsform rotorseitig in die Laufschaufeln 10 einströmt.
  • Die Luftkühleinrichtung 31 ist gemäß der dargestellten Ausführungsform sowohl zur Kühlung der Laufschaufeln 10 als auch von stromab der Leitschaufeln 7 angeordneten Wärmestauelementen 19 ausgebildet. Die Kühlung der Wärmestauelemente 19 erfolgt dabei durch eine Kühlung der dem Heißgasstrom 28 abgewandten Seite der Wärmestauelemente 19. Zusätzlich oder alternativ kann gemäß Fig. 1 Luft L ummittelbar stromab der Laufschaufeln 10 in die Gasturbine 1 eingeblasen werden und somit eine Kühlung der Wärmestauelemente 19 auf der dem Heißgasstrom 28 zugewandten Seite bzw. des Rotormantels 12 bewirken und/oder verstärken.
  • Im Folgenden soll kurz die Funktionsweise der kombinierten Luft-/Dampfkühlung der erfindungsgemäßen Gasturbine 1 erläutert werden:
    • Das übliche Kühlmedium heißgasführender Bauteile in einer Gasturbine 1 ist Luft L, welche aus einer End- oder Zwischenstufe eines nicht dargestellten Verdichters entnommen wird. Kritische Stellen sind dabei die innenliegende Innenverkleidung 3 und die innenliegende Aussenverkleidung 4 der Brennkammer 2, die erste Leitschaufelreihe 6, die erste Laufschaufelreihe 9 sowie der Turbinenrotor 8.
  • Um die Turbinenleistung zu erhöhen und die Lebensdauer der Gasturbine 1 zu verlängern, schlägt die Erfindung eine kombinierte Kühlung mittels Dampf D und Luft L vor.
  • Der vorzugsweise leicht überhitzte Dampf D der Dampfkühleinrichtung 32 strömt in dafür vorgesehene Kühlkanäle 23 der innenliegenden Innenverkleidung 3 (Innenliner) und Kühlkanäle 24 der innenliegenden Außenverkleidung 4 (Außenliner) von der Brennerseite her ein.
  • Der eingeströmte Dampf D tritt am Ende des zweiten Kühlkanals 24 aus diesem aus und wird anschließend über eine Leitschaufelaußendeckplatte 29 in einen sich daran anschließenden dritten Kühlkanal 25 weitergeleitet. Nach der Kühlung der Außendeckplatte 29 und des angeströmten Bereichs 14 der Leitschaufel 7 strömt der Dampf D in die nabenseitige Abdeckplatte 11 der Leitschaufel 7 und über Austrittsöffnungen 27' in die Gasturbine 1. Gleichzeitig strömt der Dampf D über Austrittsöffnungen 27 im anströmseitigen Bereich 14 der Leitschaufeln 7 in die Gasturbine 1. Das Ziel ist hierbei, dass der größte Teil des Dampfes D an der Nabe austritt.
  • Ein weiterer Dampfstrom D wird dem Innenliner 3 an der Brennerseite zugeführt und strömt durch Kühlkanäle 23 des Innenliners 3 parallel zum Heißgasstrom 28 bis zur Austrittsöffnung 27" im Bereich der nabenseitigen Abdeckelemente 11. Die beiden Dampfströme D des Innenliners 3 und der nabenseitigen Abdeckplatte 11 bilden auf Grund der höheren Dichte des Dampfes D gegenüber dem Heißgasstrom 28 bei der Entspannung entlang der Turbine 1 stromab der Leitschaufeln 7 einen Dampfschleier bzw. -film 13 einer gewissen Stromdicke entlang des Rotormantels 12 bzw. randseitig des Heißgasstroms 28. Dieser Dampffilm 13 schützt den Rotor 8 vor Kontakt mit dem Heißgasstrom 28 und führt dadurch zu einer verlängerten Lebensdauer der kritischen Bauteile der Gasturbine 1.
  • Die innenliegende Innenverkleidung 3 sowie die innenliegende Außenverkleidung 4 werden mit Dampf D gekühlt. Die hierfür benötigte Dampfmenge beträgt ca. 50 % der Kühlluftmenge. Der zur Kühlung benötigte leicht überhitzte Dampf D wird vorzugsweise einem nicht dargestellten Abhitzekessel entnommenen. Dabei kann vorgesehen sein, dass sowohl der erste Kühlkanal 24 als auch der zweite Kühlkanal 23 aus einem gemeinsamen oder aus separaten Abhitzekessel(n) gespeist werden können.
  • Die Leistung der mit der kombinierten Luft- bzw. Dampfkühlung betriebenen Gasturbine 1 nimmt gegenüber der konventionellen luftgekühlten Gasturbine um ca. 2 bis 5 Prozent zu, was sich bei einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinen-Anlage wie folgt erklären lässt: Die Dampfturbinenleistung nimmt infolge der Entnahme des leicht überhitzten Dampfes D aus dem Abhitzekessel leicht ab, wohingegen die Wärmeleistung des Abhitzekessels in Folge der größeren Menge aus der Gasturbine zunimmt. Fast der größte Teil dieser Leistung wird deshalb infolge der Entspannung des Dampfes nach der Kühlung der Innenverkleidung 3,4 und der Leitschaufeln 7 bei einer wesentlich höheren Temperatur und bei bis zu 1 bar in der Gasturbine 1 zurückgewonnen. Die eingesparte Kühlluftmenge der Leitschaufeln 7 strömt durch die Brennkammer 2 und nimmt am Verbrennungsprozess teil, wodurch eine Mehrleistung der Gasturbine 1 erreicht wird.
  • Entsprechend Fig. 2 ist die Gasturbine 1 in einer anderen Ausführungsform dargestellt, welche zur Durchführung einer sequentiellen Verbrennung ausgebildet ist. Hierzu sind zusätzlich eine Hochdruckbrennkammer 2' sowie eine Hochdruckleitschaufelreihe 22 mit mehreren Hochdruckleitschaufeln 16 und mindestens eine Hochdrucklaufschaufelreihe 17 mit mehreren Hochdrucklaufschaufeln 18 vorgesehen, welche stromab von einer nicht dargestellten Niederdruckbrennkammer und einer Niederdruckturbine gefolgt werden.
    Hierbei werden die Hochdrucklaufschaufeln 18 und die Hochdruckleitschaufeln 16 zumindest in ihrem Anströmbereich mit Dampf D gekühlt, während die Hinterkanten der Hochdruckleitschaufeln 16 entweder ebenfalls mit Dampf oder aber herkömmlich mit Luft gekühlt werden können. Die Konstruktion der verschiedenen Kühlkanäle wird dabei so ausgestaltet, dass eine gewisse Dampfmenge durch die Hochdruckleitschaufeln 16 in die nabenseitigen Abdeckelemente 11 strömt. Ein großer Teil des Dampfes D strömt danach ähnlich wie in Fig. 1 über Austrittsöffnungen 27' in die Gasturbine 1 ein. Der andere Teil des Dampfes D strömt in einen Zwischenraum 30, welcher unterhalb des Rotormantels 12 und zwischen den Hochdruckleitschaufeln 16 und den Hochdrucklaufschaufeln 18 angeordnet ist, um von dort von den Hochdrucklaufschaufeln 18 zur Kühlung angesaugt zu werden. Gleichzeitig sperrt ein Teil des Dampfes D den beschriebenen Zwischenraum 30 zwischen Hochdruckleit- und Hochdrucklaufschaufeln 16,18 mit einer gewissen Menge an ausgeblasenem Dampf D. Die restlichen Bauteile werden luftgekühlt.
  • Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Gasturbine 1 mit sequenzieller Verbrennung erzeugt der durch die Austrittsöffnungen 27' ausgetretene Dampf D einen Dampffilm 13, welcher sich um den Rotormantel 12 legt und diesen vor direktem Kontakt mit dem Heißgasstrom 28 schützt.
  • Gemäß Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante zur Kühlung eines Hochdruckverdichters 20 gezeigt. Hierbei sind geeignete Wärmestauelemente 19 zwischen den Hochdruckleitschaufeln 16 und den Hochdrucklaufschaufeln 18 am Rotormantel 12 angeordnet und mit leicht überhitztem Dampf D, welcher am Ende des Hochdruckverdichters 20 zugeführt und nach einer gewissen Strecke am Ende des Hochdruckverdichters 20 wieder zurückgeführt wird, gekühlt.
  • Zusammenfassend lassen sich die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung wie folgt charakterisieren:
    • Die Erfindung sieht vor, bei einer Gasturbine 1, welche mit einer herkömmlichen Luftkühleinrichtung 31 zur Kühlung von Teilen der Gasturbine 1 mittels Luft ausgebildet ist, zusätzlich eine Dampfkühleinrichtung 32 vorzusehen, welche zur Kühlung von Teilen der Gasturbine 1 mittels Dampf ausgebildet ist.
  • Die Kühlung des Rotors 8 und des Stators 5 wird konventionell mit Luft L ausgeführt. Zusätzlich strömt nun eine kleine Dampfmenge vom Eintritt 21 in die Gasturbine 1 bis zum Austritt aus der Gasturbine 1 entlang des Rotormantels 12 parallel zum Heißgasstrom 28. Auf Grund der höheren Dichte des Dampfes D gegenüber dem Heißgasstrom 28 bleibt dadurch ein Dampffilm 13 am Rotormantel 12 bestehen und schützt diesen vor direktem Kontakt mit dem Heißgasstrom 28.
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Leistung der zusätzlich mit Dampf D gekühlten Gasturbine 1 gegenüber der konventionellen luftgekühlten Gasturbine 1, z.B. um ca. 2 bis 5 %, zunimmt und gleichzeitig aufgrund des Dampffilms 13 eine höhere Lebensdauer der kritischen Bauteile erreicht werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasturbine
    2
    Brennkammer
    3
    innenliegende Innenverkleidung
    4
    innenliegende Außenverkleidung
    5
    Stator
    6
    Leitschaufelreihe
    7
    Leitschaufel
    8
    Rotor
    9
    Laufschaufelreihe
    10
    Laufschaufel
    11
    nabenseitige Abdeckelemente
    12
    Rotormantels
    13
    Dampffilm
    14
    anströmseitiger Bereich
    15
    abströmseitiger Bereich
    16
    Hochdruckleitschaufel
    17
    Hochdrucklaufschaufelreihe
    18
    Hochdrucklaufschaufel
    19
    Wärmestauelemente
    20
    Hochdruckverdichter
    21
    Eintritt
    22
    Hochdruckleitschaufelreihe
    23
    zweiter Kühlkanal
    24
    erster Kühlkanal
    25
    dritter Kühlkanal
    26
    vierter Kühlkanal
    27
    Austrittsöffnung
    28
    Heißgasstrom
    29
    Außendeckplatte
    30
    Zwischenraum
    31
    Luftkühleinrichtung
    32
    Dampfkühleinrichtung
    D
    Dampf
    L
    Luft

Claims (14)

  1. Gasturbine (1), insbesondere in einer Kraftwerksanlage,
    - mit wenigstens einer Brennkammer (2) und mit einer die Brennkammer (2) umgebenden innenliegenden Innenverkleidung (3) und mit einer innenliegenden Außenverkleidung (4),
    - mit einem Stator (5), welcher mindestens eine Leitschaufelreihe (6) mit mehreren Leitschaufeln (7) aufweist,
    - mit einem Rotor (8), welcher mindestens eine Laufschaufelreihe (9) mit mehreren Laufschaufeln (10) aufweist,
    - mit einer Luftkühleinrichtung (31), welche zur Kühlung von Teilen der Gasturbine (1) mittels Luft (L) ausgebildet ist,
    - wobei zusätzlich eine Dampfkühleinrichtung (32) vorgesehen ist, welche zur Kühlung der Leitschaufeln (7) und/oder nabenseitiger Abdeckelemente (11) der Leitschaufeln (7) mittels Dampf (D) ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Dampfkühleinrichtung (32) zur Kühlung der innenliegenden Innenverkleidung (3) und/oder der innenliegenden Außenverkleidung (4) ausgebildet ist, und- dass eine Dampfführung so ausgebildet ist, dass ab der Leitschaufelreihe (6) entlang eines Rotormantels (12) ein Dampffilm (13) entsteht.
  2. Gasturbine, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der innenliegenden Außenverkleidung (4) ein zweiter Kühlkanal (24) ausgebildet ist, dass eine Leitschaufelaußendeckplatte (29) den aus dem zweiten Kühlkanal (24) austretenden Dampf in einen dritten Kühlkanal (25) weiterleitet.
  3. Gasturbine, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der innenliegenden Außenverkleidung (3) ein erster Kühlkanal (23) ausgebildet ist, dass eine Austrittssöffnung (27") des ersten Kühlkanals (23) im Bereich nabenseitiger Abdeckelemente (11) der Leitschaufeln (7) angeordnet ist.
  4. Gasturbine, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (7) Austrittsöffnungen umfassen, und dass die Austrittsöffnungen den eingeblasenen Dampf in den Heißgastrom leiten.
  5. Gasturbine, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkühleinrichtung (31) zumindest zur Kühlung der Laufschaufeln (10) und/oder von stromab der Leitschaufelreihe (6) angeordneten Wärmestauelementen (19) ausgebildet ist.
  6. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfkühleinrichtung (32) zur Kühlung der Leitschaufeln (7) in einem anströmseitigen Bereich (14) und die Luftkühleinrichtung (31) zur Kühlung der Leitschaufeln (7) in einem abströmseitigen Bereich (15) ausgebildet sind.
  7. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Gasturbine (1) zur Durchführung einer sequentieller Verbrennung ausgebildet ist,
    - dass zusätzlich eine Hochdruckbrennkammer (2') vorgesehen ist, die mit einer diese umgebenden innenliegenden Innenverkleidung (3) und einer innenliegenden Außenverkleidung (4) versehen ist,
    - dass mindestens eine Hochdruckleitschaufelreihe (22) mit mehreren Hochdruckleitschaufeln (16) vorgesehen ist,
    - dass mindestens eine Hochdrucklaufschaufelreihe (17) mit mehreren Hochdrucklaufschaufeln (18) vorgesehen ist.
  8. Gasturbine, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Dampfkühleinrichtung (32) zumindest zur Kühlung der Hochdruckleitschaufeln (16) und/oder nabenseitiger Abdeckelemente (11) der Hochdruckleitschaufeln (16) und/oder der Hochdrucklaufschaufeln (18) ausgebildet ist, und/oder
    - dass eine Dampfführung so ausgebildet ist, dass ab der Hochdruckleitschaufelreihe (22) entlang eines Rotormantels (12) ein Dampffilm (13) entsteht.
  9. Gasturbine, nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkühleinrichtung (31) zumindest zur Kühlung der innenliegenden Innenverkleidung (3) der Hochdruckbrennkammer (2') und/oder der innenliegenden Außenverkleidung (4) der Hochdruckbrennkammer (2') und/oder der Hinterkante der Hochdruckleitschaufeln (16) und/oder von stromab der Hochdruckleitschaufelreihe (22) angeordneten Wärmestauelementen (19) ausgebildet ist.
  10. Gasturbine, nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfkühleinrichtung (32) zumindest zur teilweisen Kühlung eines Hochdruckverdichters (20) ausgebildet ist.
  11. Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfkühleinrichtung (32) zur Entnahme von Dampf (D) mit einem Abhitzekessel einer Dampfturbine verbunden ist, die mit der Gasturbine (1) gekoppelt ist.
  12. Verfahren zum Kühlen einer Gasturbine (1), insbesondere in einer Kraftwerksanlage, umfassend
    - eine Brennkammer (2), mit einer die Brennkammer (2) umgebenden innenliegenden Innenverkleidung (3) und mit einer innenliegenden Außenverkleidung (4),
    - einen Stator (5), welcher mindestens eine Leitschaufelreihe (6) mit mehreren Leitschaufeln (7) aufweist,
    - einen Rotor (8), welcher mindestens eine Laufschaufelreihe (9) mit mehreren Laufschaufeln (10) aufweist,
    - bei dem Teile der Gasturbine (1) mittels einer Luftkühleinrichtung (31) mit Luft (L) gekühlt werden, während die Leitschaufeln (7) und/oder die nabenseitigen Abdeckelemente (11) der Leitschaufeln (7) mittels einer Dampfkühleinrichtung (32) mit Dampf (D) gekühlt werden
    dadurch gekennzeichnet, dass über eine Dampfführung ab der Leitschaufelreihe (6) entlang eines Rotormantels (12) ein Dampffilm erzeugt wird und die Dampfkühleinrichtung (32) die innenliegende Innenverkleidung (3) und/oder die innenliegende Außenverkleidung (4) kühlt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale wenigstens eines der Ansprüche 2 bis 9.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Kühlung der Leitschaufeln (7) eingeblasene Dampf über Austrittsöffnungen in den Heißgastrom austritt und an der Außenhaut der jeweiligen Leitschaufel (7) einen Dampffilm erzeugt.
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