EP1611315A1 - Turbomaschine - Google Patents

Turbomaschine

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Publication number
EP1611315A1
EP1611315A1 EP04725711A EP04725711A EP1611315A1 EP 1611315 A1 EP1611315 A1 EP 1611315A1 EP 04725711 A EP04725711 A EP 04725711A EP 04725711 A EP04725711 A EP 04725711A EP 1611315 A1 EP1611315 A1 EP 1611315A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cavity
overflow channel
flow
turbomachine
ejector
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Granted
Application number
EP04725711A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1611315B1 (de
Inventor
Armin Busekros
Darran Norman
Matthias Rothbrust
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.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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 Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1611315A1 publication Critical patent/EP1611315A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1611315B1 publication Critical patent/EP1611315B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—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
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/601—Fluid transfer using an ejector or a jet pump

Definitions

  • the present invention relates to a turbomachine according to the preamble of claim 1. It also relates to a method for operating such a turbomachine.
  • the rotor of a turbomachine is rotated further at a certain speed after it has been switched off.
  • low speeds in the range of 1 / mi ⁇ or less are preferred. On the one hand, this is sufficient to uniform the cooling of the rotor in the circumferential direction; on the other hand, the speed is low enough so as not to provoke a pronounced axial flow, for example of the hot gas path of a gas turbine, with the associated cold air entry and thermal shocks.
  • a drive shaft of the fan which from a motor arranged outside the overflow channel to the inside arranged fan wheel must be reliably sealed under operating conditions. Due to the prevailing high pressures, which can reach values of around 30 bar and above in modern gas turbines, and which can be even higher with steam turbines, and the temperatures, which can already reach up to 500 ° C in the cooling air, this task is only to solve with great effort, and there is a latent risk of failure over a long period of operation.
  • the object of the invention is to provide a turbomachine of the type mentioned at the outset which avoids the disadvantages of the prior art.
  • the essence of the invention is therefore to arrange an ejector within the overflow channel, through which, if necessary, a propellant flow can be conducted to drive the flow through the overflow channel. It is therefore not necessary to seal a passage of a movable component through the wall of the overflow channel. Because on the one hand the mass flow of the propellant which is passed through the ejector is significantly lower than the design mass flow of the overflow channel, and on the other hand the flow velocity through the ejector should be high anyway, much smaller flow cross sections are advantageously used for the supply to the ejector than for the overflow channel , The design mass flow of the ejector is typically around 8% to 15%, in particular 10%, of the design mass flow of the overflow channel.
  • the ejector inflow line can thus isolate from the volume of the cavity in a much simpler manner by means of a check valve and / or a shut-off device to let. Furthermore, since the ejector flow essentially serves as a propellant and an external auxiliary medium can be used, there is great freedom in the choice of the suitable drive source. For example, the ejector flow does not necessarily have to be driven by a blower, but it is also possible, for example, to use air from a compressed air system or steam from a boiler. Because the system is operated when the turbo machine is at a standstill, the ambient pressure prevails when the ejector is operated in the cavity. This does not even impose high requirements on the form of the blowing agent used for the ejector flow.
  • the propellant source for the ejector is selected so that the admission pressure of the propellant is 1.3 to 3 times, preferably 1.5 to 2 times, the pressure in the cavity. It is further preferred if the volume of the cavity is circulated around 4 to 8 times, preferably about 6 times, per minute by the flow in the overflow line. In a very particularly preferred embodiment of the invention, the volume of the cavity is circulated once in around 11 seconds. It has been shown that this circulation rate leads to a particularly good homogenization of the temperature distribution in the cavity.
  • the device according to the invention is preferably operated such that, when the turbomachine is at a standstill, in particular in a cooling phase of the turbomachine following decommissioning, a fluid as a propellant is passed through the ejector into the overflow channel and drives a flow through which the gas content of the cavity is circulated becomes.
  • a fluid mass flow is thus supplied to the cavity through the ejector, which in preferred embodiments of the invention is in the range from 0.5% to 2% and very particularly preferably around 1% of the content of the cavity per second, in such a way that the contents of the cavity are exchanged once in the range from 50 to 200 seconds. In contrast to the prior art, there is therefore no completely closed system.
  • Ambient air or air from an auxiliary air system for example instrument air
  • the propellant of the ejector is preheated, for example it can be passed over or through other heated components of the turbomachine. Medium must of course also flow out of the cavity to compensate; this is preferably done through the coolant path of the turbomachine.
  • the cavity is in particular formed between an inner and an outer housing of the turbomachine, for example between a wide space wall and an outer housing of a gas turbine.
  • the cavity is designed with an essentially annular cross section, in particular as a To, or with a cross section in the form of a ring segment.
  • the overflow channel is advantageously arranged outside the housing of the turbomachine. This ensures outstanding accessibility and makes it easier to retrofit existing installations.
  • the overflow channel advantageously connects two points which are arranged essentially at diagonally opposite circumferential positions of the cavity.
  • the mouths of the overflow channel are also included Advantageously arranged at different geodetic heights of the cavity, the downstream end of the overflow channel, to which the ejector drives the flow, advantageously being arranged at the higher point.
  • This arrangement uses the differences in density of the fluid within the cavity.
  • the mouths of the overflow channel are arranged at a geodetically highest and a geodetically lowest circumferential position of the cavity, the flow in the overflow line from bottom to top, so to speak, from the "bottom" of the cavity to its " Roof ".
  • the overflow line opens into the cavity with a defined outflow section.
  • the outflow section is in particular designed such that the outflowing medium is oriented at least with one speed component in the circumferential direction of the cavity.
  • the outflow section which acts as an outlet guiding device, opens essentially in the circumferential direction, or in such a way that it outflow direction by an angle of less than 30 °, preferably less than 10 °, in the axial direction against the circumference of the cavity is inclined.
  • the outflow section is designed as a nozzle, so that it acts as an ejector and also drives the fluid within the cavity.
  • the mouths of the overflow channel are arranged at different axial positions in a preferred embodiment of the invention.
  • the resulting helical flow through the cavity then causes the temperature distribution in the axial and in the circumferential direction to be evened out.
  • the cavity has openings for draining off fluid, through which fluid can flow out of the cavity. This is particularly advantageous if fluid is brought in from the outside.
  • the openings are preferably arranged symmetrically on the circumference, for example in the form of an annular gap, annular segment-shaped gaps, or bores distributed around the circumference.
  • the openings are, for example, in fluid communication with the hot gas path of a gas turbine, so that fluid in the cavity, which is displaced by newly introduced fluid, can flow out into the hot gas path.
  • the hot gas path is the entire flow path from the entry into the first
  • the fluid can be discharged into the hot gas path via the cooling air path and the cooling openings, for example the first turbine guide row.
  • FIG. 1 shows a part of the thermal block of a gas turbine
  • Figure 2 shows a first example of the embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows another preferred embodiment of the invention.
  • the invention is to be explained in the context of a turbomachine.
  • the thermal block of a gas turbine is therefore shown in FIG. 1, only the part located above the machine axis 10 being shown.
  • the machine shown in FIG. 1 is a gas turbine with so-called sequential combustion, as is known for example from EP 620362. Although their mode of operation is of no primary importance for the invention, it is explained in broad outline for the sake of completeness.
  • a compressor 1 draws in an air mass flow and compresses it to a working pressure.
  • the compressed air flows through a plenum 2 into a first combustion chamber 3.
  • a quantity of fuel is introduced there and burned in the air.
  • the resulting hot gas is partially expanded in a first turbine 4 and flows into a second combustion chamber 5, a so-called SEV combustion chamber.
  • the invention is implemented in the region of the cavities 2, 7 surrounding the combustion chambers 3, 5.
  • the cross-sectional illustration in FIG. 2 is highly schematic and could represent a section in the area of the first combustion chamber 3 as well as in the area of the second combustion chamber 5.
  • An annular cavity 2, 7 is formed between an outer casing 11 of the gas turbine and a combustion chamber wall 12, 13, which can also be understood as an inner casing. After the machine has been switched off, heat that is stored in the structures 9, 12, 13 is largely dissipated via the outer housing 11. Due to density differences, fluid in the cavities 2, 7 tends to build up the mentioned stable temperature stratification, which is the object of the invention to avoid.
  • the outer housing is provided with an extraction point 15 which is connected to a first, upstream end of an overflow line 14.
  • the second, downstream end 16 of the overflow line again opens into the cavity at a point substantially diagonally opposite the tapping stalls 15.
  • a jet pump arrangement 17 with an ejector is arranged in the overflow line.
  • a propellant mass flow 18 is led from an arbitrary source for a medium under pressure to the ejector and flows out there at a comparatively high speed, whereby further in fluid located in the overflow line is entrained, and thus flow through the overflow line is induced.
  • the mass flow of the entrained fluid is a multiple of the propellant mass flow; typically the mass flow of the driven flow in a preferred embodiment of the invention is around 10 times the propellant mass flow.
  • the orientation of the flow from an upstream end 15 to a downstream end 16 is predetermined by the orientation of the ejector.
  • the mouth of the upstream end is arranged at a geodetically lowest point and the mouth of the downstream end 16 at a geodetically lowest point.
  • the coolest fluid in the cavity is thus sucked into the overflow line 14. This is mixed with the propellant mass flow 18, which is often colder again; for example, it can be a conveyor fan or a
  • Act compressor 20 brought ambient air.
  • the fluid emerging at the downstream end of the overflow line has a greater density than the fluid at a location geodetically at the top of the cavity.
  • a sinking movement begins in the cavity, which further intensifies a compensating flow 19.
  • This intensification is greater, the greater the density differences in the cavity, that is, the more pronounced the temperature stratification.
  • the system is thus self-regulating in a way, and the equalizing flow 19 is more intense the more pronounced the temperature stratification is.
  • the fluid in the cavity is preferably circulated once in about 8 to 15 seconds. With the propellant mass flow indicated above, the fluid content in the cavity is exchanged once every 80 to 150 seconds for fresh fluid flowing in via the ejector 17.
  • the device according to the invention is advantageously not operated during operation of the gas turbine group. Lie in the cavity then temperatures typically range from around 350 ° C to over 500 ° C, and the pressure is typically from 12 bar to over 30 bar. These conditions essentially also prevail in the overflow duct 14. It is therefore an essential advantage of the invention that, in contrast to the prior art, no moving parts are arranged in the part which is highly loaded with regard to temperature and pressure, and no relatively moving parts such as a drive shaft for a circulating fan are sealed Need to become.
  • a blowing agent blower 20 can be arranged at a point which is slightly loaded with regard to pressure and temperature, which on the one hand increases the reliability of the overall system and on the other hand reduces effort and costs.
  • the blowing agent can of course also come from a compressed air system.
  • a non-return element 23 and a shut-off element 24 are arranged.
  • the embodiment according to FIG. 3 differs from the previous example in that a flow-guiding device 21 is arranged at the downstream end of the overflow line 14, which in the present case is designed as a nozzle, in such a way that the emerging flow 22 also acts as a propellant in the manner of an ejector a circulation flow 19 acts in the cavity 2, 7. This enables a directional flow to be generated in the cavity.
  • FIG. 4 shows a perspective illustration of an annular cavity.
  • the inner boundary 12, 13 is only shown schematically as a solid cylinder.
  • a cavity 2, 7 is formed between this inner boundary and an outer jacket 11.
  • three ejectors 21 which are guided through the outer casing 11 and are not visible in the illustration are passed through, which are indicated schematically by dashed lines.
  • the ejectors are arranged in such a way that the orientation of the blowing direction of the blowing agent 22 in the axial direction by an angle ⁇ with respect to that by a dash-dotted line U indicated circumferential direction is inclined.
  • this angle of attack ⁇ can be restricted to values below 30 °, in particular to values less than 10 °.
  • the invention is in no way limited to being used in the outermost cavities 2, 7.
  • the invention can also be implemented very simply for the combustion chambers 3, 5 or and the space formed between the housing elements 12, 13 and the shaft 9.
  • the application of the invention is in no way limited to gas turbines, but that the invention can be used in a large number of other applications.
  • the application of the invention is not limited to a gas turbine with sequential combustion shown in FIG. 1, but it can also be used in gas turbines with only one or more than two combustion chambers.
  • the invention can also be implemented in steam turbines.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Ringförmige oder ringsegmentförmige Kavitäten (2, 7), welche insbesondere in mehrschaligen (11; 12, 13) Gehäusen von Turbomaschinen ausgebildet sind, sind bevorzugt mit geeigneten Mitteln zum Ausgleich von sich ausbildenen Temperaturschichtungen versehen. Erfindungsgemäss verbindet ein Überströmkanal (14) zwei an unterschiedlichen Umfangspositionen der Kavität gelegene Stellen miteinander. In dem Überströmkanal (14) ist ein Ejektor (17) angeordnet, welcher mit einem Treibfluid betreibbar ist, und welcher zum Antrieb einer Strömung durch den Überströmkanal von einem stromaufwärtigen Ende (15) zu einem stromabwärtigen Ende (16) dient.

Description

Turbomaschine
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Turbomaschine.
Stand der Technik
Das Phänomen des sogenannten „Buckelπs" des Läufers wie auch des Gehäuses von Turbomaschiπen wie Gasturbinen und Dampfturbinen ist hinreichend bekannt. Es wird dadurch hervorgerufen, dass die grossen und massereichen Strukturen solcher Maschinen nach längerem Betrieb grosse Wärmemengen gespeichert haben. Beim Abkühlen stellt sich in den vergleichsweise grossen Strömungskanälen eine ausgeprägte vertikale Temperaturschichtung ein, welche zu ungleichmässigeπ Temperaturverteilungen in den statischen wie den rotierenden Bauteilen führt, was aufgrund der unterschiedlichen thermischen Dehnungen in einem Verzug von Gehäuse und Rotor und Abweichungen von der rotationssymmetrischen Sollgeometrie resultiert. Bei den unvermeidlich geringen Spaltmassen in modernen Turbomaschinen kommt es dadurch zum Blockieren des Rotors im Gehäuse, was zu Lasten der Startverfügbarkeit geht, und daneben die mechanische Integrität zu gefährden vermag. Bekannt sind daher beispielsweise aus der US 3,793,905 oder der US 4,854,120 Systeme zum Welleπdrehen oder auch zum sogenannten Wellenschalten. Dabei wird der Rotor einer Turbomaschine nach dem Abstellen mit einer gewissen Drehzahl weitergedreht. Dabei sind, wie beim bekannten Wellenschalten, geringe Drehzahlen im Bereich von 1/miπ oder weniger bevorzugt. Dies genügt einerseits, um die Kühlung des Rotors in Umfangsrichtung zu vergleichmässigen; andererseits ist die Drehzahl niedrig genug, um keine ausgeprägte Axialdurchströmung etwa des Heissgaspfades einer Gasturbine, mit damit verbundenem Kaltlufteintrag und Thermoschocks, zu provozieren. 0
Moderne Gasturbinen werden im hochtemperaturbelasteten Teil häufig mit zweischaligen Gehäusen ausgeführt. Dabei ist zwischen einem inneren Gehäuse und einem äussereπ Gehäuse ein Ringraum ausgebildet, der im Betrieb häufig mit Kühlluft oder anderem Kühlmittel beaufschlagt wird. In dem 5 Ringraum bildet sich ist nach dem Abstellen der Gasturbine ohne weitere
Massnahmen ebenfalls eine vertikale Temperaturschichtung aus, die zu einem Verzug der Gehäuse führt.
Die DE 507 129 wie auch die WO 00/11324 schlagen vor, bei einem 0 zweischaligen Gehäuse einer Turbine Mittel vorzusehen, um durch eine erzwungene Strömung innerhalb des Zwischenraums die stabile Temperaturschichtung zu stören. Dabei wird im wesentlichen vorgeschlagen ausserhalb des Ringraumes Fluid von einer Stelle des Ringraumes zu einer anderen Stelle des Riπgraumes zu fördern, wodurch eine Ausgleichsströmuπg 5 innerhalb des Ringraumes induziert wird. Die Schriften geben dabei an, einen Uberströmkanal bevorzugt ausserhalb des Maschinengehäuses anzuordnen, der zwei an unterschiedlichen Umfangspositionen des Gehäuses gelegene Stellen miteinander verbindet, und innerhalb dieses Überströmkanals ein Umwälzgebläse zum Antrieb der Ausgleichsströmung anzuordnen. Als o tendenziell problematisch erweist sich in der Praxis der Antrieb des Umwälzgebläses. Eine Antriebswelle des Gebläses, welche von einem ausserhalb des Überströmkanals angeordneten Motor zum innerhalb angeordneten Gebläserad führt, muss unter Betriebsbedingungen zuverlässig abgedichtet werden. Aufgrund der herrschenden hohen Drücke, welche bei modernen Gasturbinen durchaus Werte um 30 bar und darüber erreichen können, und die bei Dampfturbinen noch höher sein können, und der Temperaturen, welche auch in der Kühlluft bereits bis 500°C erreichen können, ist diese Aufgabe nur mit hohem Aufwand zu lösen, und über eine lange Betriebsdauer besteht ein latentes Versagensrisiko.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbomaschine der eingangs erwähnten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Kern der Erfindung ist es also, innerhalb des Überströmkanals einen Ejektor anzuordnen, durch den im Bedarfsfall eine Treibmittelströmung zum Antrieb der Strömung durch den Überströmkanal leitbar ist. Es ist daher also nicht notwendig, eine Durchführung eines beweglichen Bauteils durch die Wand des Überströmkanals abzudichten. Weil einerseits der Massenstrom des Treibmittels welches durch den Ejektor geleitet wird, deutlich geringer ist als der Auslegungsmassenstrom des Überströmkanals, und andererseits die Strömungsgeschwindigkeit durch den Ejektor ohnehin hoch sein soll, werden für die Zuleitung zum Ejektor mit Vorteil wesentlich kleinere Strömungsquerschnitte verwendet als für den Überströmkanal. Typischerweise beträgt der Ausleguπgsmassenstrom des Ejektors rund 8% bis 15%, insbesondere 10%, des Auslegungsmassenstroms des Überströmkanals. Damit kann die Ejektor-Zuströmleitung auf wesentlich einfachere Weise durch ein Rückschlag- und/oder ein Absperrorgan vom Volumen der Kavität isolieren lassen. Weiterhin, da die Ejektorströmung ja im Wesentlichen als Treibmittel dient, und ein externes Hilfsmedium eingesetzt werden kann, bestehen grosse Freiheiten bei der Wahl der geeigneten Antriebsquelle. So muss nicht zwangsläufig die Ejektorströmung von einem Gebläse angetrieben werden, sondern es kann durchaus auch beispielsweise Luft aus einem Druckluftsystem oder Dampf aus einem Kessel verwendet werden. Weil das System im Anlagenstillstand, nach dem Abstellen der Turbomaschine, betrieben wird, herrscht beim Betrieb des Ejektors in der Kavität im Wesentlichen Umgebungsdruck. Damit sind noch nicht einmal hohe Anforderungen an den Vordruck des für die Ejektordurchströmung verwendeten Treibmittels zu stellen. Im Falle von Luft als Treibmittel des Ejektors werden und atmosphärischem Druck in der Kavität werden ohnehin bereits bei einem Vordruck des Treibmittel von rund 1 ,7 bar kritische Zustände im Ejektor erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Treibmittelquelle für den Ejektor so gewählt, dass der Vordruck des Treibmittels das 1 ,3 bis 3-fache, bevorzugt das 1 ,5 bis 2-fache, des Druckes in der Kavität beträgt. Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Volumen der Kavität durch die Strömung in der Überströmleitung rund 4 bis 8 mal, bevorzugt etwa 6 mal, pro Minute umgewälzt wird. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Volumen der Kavität in rund 11 Sekunden einmal umgewälzt. Es hat sich gezeigt, dass diese Umwälzungsrate zu einer besonders guten Homogenisierung der Temperaturverteilung in der Kavität führt.
Bevorzugt wird die erfindungsgemässe Vorrichtung so betrieben, dass im Stillstand der Turbomaschine, insbesondere in einer der Ausserbetriebnahme folgenden Abkühlphase der Turbomaschine, ein Fluid als Treibmittel durch den Ejektor in den Überströmkanal geleitet wird, und dort eine Strömung antreibt, durch welche der Gasinhalt der Kavität umgewälzt wird. Damit wird durch den Ejektor ein Fluidmassenstrom der Kavität zugeführt, der pro Sekunde in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im Bereich von 0,5% bis 2% und ganz besonders bevorzugt rund 1 % des Inhaltes der Kavität beträgt, dergestalt, dass der Inhalt der Kavität einmal im Bereich von 50 bis 200 Sekunden ausgetauscht wird. Damit liegt im Gegensatz zum Stand der Technik kein vollständig geschlossenes System vor. Als Treibmittel kann insbesondere Umgebungsluft oder Luft aus einem Hilfsluftsystem, beispielsweise Instrumentenluft, Anwendung finden. Dies kann durchaus vorteilhaft genutzt werden, um die Vergleichmässigung der Temperaturverteilung zu unterstützen, und um die Abkühlphase zu verkürzen. Wenn Fluid an einer unten gelegenen Stelle der Gehäusekavität entnommen und durch die Ejektorzuströmung mit kalter Umgebungsluft vermischt wird, und diese vermischte Überströmung im oberen Teil der Kavität wieder eingebracht wird, so trägt dies zu einer zusätzlichen, durchaus erwünschten Kühlung in den oben gelegenen Gehäusesegmeπten bei. Durch diese zusätzliche Kühlwirkung aufgrund der von aussen zugeführten Treibmittelströmung wird eine zusätzliche Abkühlung bewirkt, und zwar bei entsprechender konstruktiver Auslegung gerade dort, wo es erwünscht ist, nämlich im tendenziell eher zu heissen, oberen Teil. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Treibmittel des Ejektors vorgewärmt, dabei kann es zum Beispiel über oder durch weitere aufgeheizte Komponenten der Turbomaschine geleitet werden. Zum Ausgleich muss selbstverständlich auch Medium aus der Kavität abströmen; dies erfolgt bevorzugt durch den Kühlmittelpfad der Turbomaschiπe.
Die Kavität ist insbesondere zwischen einem inneren und einem äusseren Gehäuse der Turbomaschine gebildet, so beispielsweise zwischen einer Breπnraumwaπd und einem Aussengehäuse einer Gasturbine. In diesem Falle ist die Kavität mit einem im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt, insbesondere als To s, oder mit einem Querschnitt in Form eines Ringsegmentes ausgebildet. Der Überströmkanal ist mit Vorteil ausserhalb des Gehäuses der Turbomaschine angeordnet. Dies gewährleistet eine überragende Zugänglichkeit, und erleichtert die Nachrüstbarkeit bestehender Installationen. Mit Vorteil verbindet der Überströmkanal zwei im Wesentlichen an diagonal gegenüberliegenden Umfangspositionen der Kavität angeordnete Stellen miteinander. Die Mündungen des Überströmkanals sind ebenso mit Vorteil auf unterschiedlichen geodätischen Höhen der Kavität angeordnet, wobei das stromabwärtige Ende des Überströmkaπals, zu dem der Ejektor die Strömung treibt, mit Vorteil an der höhergelegenen Stelle angeordnet ist. Diese Anordnung nutzt die Dichteunterschiede des Fluides innerhalb der Kavität. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mündungen des Überströmkanals an einer geodätisch höchstgelegenen und einer geodätisch am weitesten unten angeordneten Umfangsposition der Kavität angeordnet, wobei die Strömung in der Überstömleitung von unten nach oben, sozusagen vom "Boden" der Kavität zu deren "Dach", gerichtet ist. Damit wird im Betrieb der Vorrichtung vergleichsweise kühles Fluid aus dem unteren Teil der Kavität in den Überströmkanal gefördert, und dort mit dem Treibmittel des Ejektors vermischt, welches im Allgemeinen noch kühler ist. An des Stelle des Ausströmeπs in die Kavität, in deren oberem Teil, ist das Fluid wärmer, und weist daher eine geringere Dichte auf. In der Folge sinkt das eingebrachte kühlere Fluid ab, und induziert somit eine Ausgleichströmung in der Kavität. Diese Ausgleichströmung ist sogar in einem gewissen Masse selbstregelnd: Je grösser der Temperaturunterschied zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil der Kavität und des Turbomaschiπeπgehäuses ist, um so grösser ist der Dichteunterschied, der die Strömung antreibt. Das heisst, je ungleichmässiger die Temperaturverteilung in der Kavität ist, umso stärker werden die Antriebskräfte welche eine Ausgleichsströmung zur Temperaturvergleichmässigung induzieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mündet die Überströmleitung mit einer definierten Ausströmstrecke in der Kavität. Die Ausströmstrecke ist insbesondere so beschaffen, dass das ausströmende Medium wenigstens mit einer Geschwindigkeitskomponeπte in Umfangsrichtung der Kavität orientiert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Strömung in der Kavität definierter ist. Mit Vorteil mündet die Ausströmstrecke, welche als Austritts-Leiteinrichtung wirkt, im Wesentlichen in Umfangsrichtung, oder derart, dass sie Ausströmrichtung um einen Winkel von weniger als 30°, bevorzugt weniger als 10°, in axialer Richtung gegen den Umfang der Kavität geneigt ist. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Ausströmstrecke als Düse ausgeführt, so, dass sie als Ejektor wirkt, und das Fluid innerhalb der Kavität ebenfalls antreibt. Insbesondere in Verbindung mit einer axial angestellten definierten Ausströmrichtung und bei einer axial ausgedehnten Kavität sind die Mündungen des Überströmkanals in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung an unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet. Die daraus resultierende schraubenförmige Durchströmung der Kavität bewirkt dann eine Vergleichmässigung der Temperaturverteilung in axialer- wie in Umfangsrichtung.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Kavität Öffnungen zur Ableitung von Fluid auf, durch welche Fluid aus der Kavität abströmen kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Fluid von aussen herangeführt wird. Die Öffnungen sind bevorzugt symmetrisch am Umfang angeordnet, beispielsweise in Form eines Ringspaltes, ringsegmentförmiger Spalte, oder am Umfang verteilter Bohrungen. Die Öffnungen stehen beispielsweise mit dem Heissgaspfad einer Gasturbine in Fluidverbindung, so, dass in der Kavität befindliches Fluid, welches durch neu herangeführtes Fluid verdrängt wird, in den Heissgaspfad abströmen kann. Unter Heissgaspfad ist in diesem Zusammenhang der gesamte Strömungsweg vom Eintritt in die erste
Turbinenleitreihe bis hin zum Abgasdiffusor zu verstehen. Insbesondere kann das Fluid über den Kühlluftpfad und die Kühlungsöffnungen, beispielsweise der ersten Turbinenleitreihe, in den Heissgaspfad abgeleitet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Im Einzelnen zeigen - Figur 1 einen Teil des thermischen Blockes einer Gasturbine;
Figur 2 ein erstes Beispiel für die erfindungsgemässe Ausführung der
Gasturbine aus Figur 1 im Querschnitt; Figur 3 ein zweites Beispiel für die erfindungsgemässe Ausführung der
Gasturbine aus Figur 1 im Querschnitt; und
Figur 4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Selbstverständlich stellen die folgenden Figuren nur illustrative Beispiele dar, und sind bei Weitem nicht in der Lage, alle dem Fachmann offenbarten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, darzustellen.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung soll im Kontext einer Turbomaschine erläutert werden. In Fig. 1 ist daher der thermische Block einer Gasturbine dargestellt, wobei nur der oberhalb der Maschinenachse 10 befindliche Teil gezeigt ist. Bei der in Figur 1 dargestellten Maschine handelt es sich um eine Gasturbine mit sogenannter sequentieller Verbrennung, wie sie beispielsweise aus der EP 620362 bekannt ist. Obschon deren Funktionsweise für die Erfindung ohne primäre Bedeutung ist, sei diese der Vollständigkeit halber in groben Zügen erläutert. Ein Verdichter 1 saugt einen Luftmassenstrom an und verdichtet diesen auf einen Arbeitsdruck. Die verdichtete Luft strömt durch ein Plenum 2 in eine erste Brennkammer 3 ein. Dort wird eine Brennstoffmenge eingebracht und in der Luft verbrannt. Das entstehende Heissgas wird in einer ersten Turbine 4 teilentspannt, und strömt in eine zweite Brennkammer 5, eine sogenannte SEV-Brennkammer, ein. Dort zugeführter Brennstoff entzündet sich aufgrund der noch hohen Temperatur des teilentspannten Heissgases. Das πacherhitzte Heissgas wird in einer zweiten Turbine 6 weiter entspannt, wobei eine mechanische Leistung auf die Welle 9 übertragen wird. Im Betrieb herrschen bereits in den letzten Verdichterstufen, erst recht aber im Bereich der Brennkammern 3, 5 und in den Turbinen 4, 6 Temperaturen von mehreren 100 °C. Nach dem Abstellen einer solchen Maschine speichern die grossen Massen - beispielsweise eine Masse des Rotors 9 von 80 Tonnen - eine grosse Wärmemenge über eine längere Zeit. In den Strömungsquerschnitten der Maschine stellt sich wenigstens bei der üblichen Aufstellung einer Gasturbine mit waagerechter Maschinenachse während des Abkühlens im Stillstand eine ausgeprägte vertikale Temperaturschichtung ein. Diese führt dazu, dass sich die Unter- und Oberteile von Gehäuse und Rotor ungleich schnell abkühlen, wodurch es zu einem Verzug der Komponenten kommt, was als „Buckeln" bezeichnet wird.
Bei der als Beispiel dargestellten Gasturbine ist die Erfindung jeweils im Bereich der die Brennkammern 3, 5 umgebenden Kavitäten 2, 7 realisiert. Die Querschnittsdarstellung in Figur 2 ist stark schematisiert, und könnte sowohl einen Schnitt im Bereich der ersten Brennkammer 3 als auch im Bereich der zweiten Brennkammer 5 darstellen. Zwischen einem Aussengehäuse 11 der Gasturbine und einer Brennraumwand 12, 13, welche auch als inneres Gehäuse verstanden werden kann, ist jeweils eine ringförmige Kavität 2, 7 ausgebildet. Nach dem Abstellen der Maschine wird Wärme, die in den Strukturen 9, 12, 13 gespeichert ist, zu einem erheblichen Teil über das äussere Gehäuse 11 abgeführt. Fluid in den Kavitäten 2, 7, neigt dabei aufgrund von Dichteunterschieden dazu, die angesprochene stabile Temperaturschichtung aufzubauen, welche zu vermeiden ja Aufgabe der Erfindung ist. Im dargestellten Beispiel für die Ausführung der Erfindung ist das Aussengehäuse mit einer Eπtπahmestelle 15 versehen, die mit einem ersten, stromaufwärtigen Ende einer Überströmleitung 14 verbunden ist. Das zweite, stromabwärtige Ende 16 der Überströmleitung mündet an einer der Entnahmestalle 15 im Wesentlichen Diagonal gegenüberliegenden Stelle wieder in der Kavität. Zum Antrieb einer Durchströmuπg der Überströmleitung ist in der Überströmleitung eine Strahlpumpenaπordnung 17 mit einem Ejektor angeordnet. Von einer an sich beliebigen Quelle für ein unter Druck stehendes Medium wird ein Treibmittelmassenstrom 18 zum Ejektor geführt und strömt dort mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit aus, wodurch weiteres in der Überströmleitung befindliches Fluid mitgerissen wird, und also eine Durchströmung der Überströmleitung induziert wird. Durch die Ausführung nach der Art einer Strahlpumpe beträgt der Massenstrom des mitgerissenen Fluides ein Mehrfaches des Treibmittelmassenstroms; typischerweise ist der Massenstrom der angetriebenen Strömung bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung rund das 10-fache des Treibmittelmassenstroms. Die Orientierung der Durchströmuπg von einem stromaufwärtigen Ende 15 zu einem stromabwärtigen Ende 16 ist durch die Orientierung des Ejektors vorgegeben. Im Ausführungsbeispiel ist die Mündung des stromaufwärtigen Endes an einer geodätisch am niedrigsten gelegenen Stelle angeordnet, und die Mündung des stromabwärtigen Endes 16 an einer geodätisch am höchsten gelegenen Stelle. Damit wird das kühlste in der Kavität befindliche Fluid in die Überströmleitung 14 eingesaugt. Dieses wird mit dem Treibmittelmassenstrom 18 vermischt, welcher häufig nochmals kälter ist; beispielsweise kann es sich um über ein Fördergebläse oder einen
Kompressor 20 herangeführte Umgebuπgsluft handeln. Damit aber weist das am stromabwärtigen Ende der Überströmleitung austretende Fluid eine grössere Dichte auf, als das Fluid an einer geodätisch oben in der Kavität gelegenen Stelle. In der Folge setzt eine Absinkbewegung in der Kavität ein, welche eine Ausgleichströmung 19 weiter intensiviert. Diese Intensivierung ist umso grösser, je grösser die Dichteunterschiede in der Kavität sind, also, je ausgeprägter die Temperaturschichtung ist. Damit ist das System auf eine Weise selbstregelnd, und die Ausgleichsströmung 19 ist umso intensiver, je ausgeprägter die Temperaturschichtung ist. Bevorzugt wird das Fluid in der Kavität einmal in rund 8 bis 15 Sekunden umgewälzt. Mit dem oben angegebenen Treibmittelmassenstrom resultiert, dass der Fluidinhalt in der Kavität alle 80 bis 150 Sekunden einmal gegen frisches über den Ejektor 17 zuströmendes Fluid ausgetauscht wird. Unter Umständen resultiert dies in einer unerwünscht schnellen Abkühlung der Maschinenstrukturen. Es ist dann selbstverständlich auch möglich, das Treibmittel des Ejektors vorzuwärmen, um diese Abkühlung zu verringern. Im Betrieb der Gasturbogruppe wird die erfindungsgemässe Vorrichtung mit Vorteil nicht betrieben. In der Kavität liegen dann Temperaturen im typischen Bereich von rund 350°C bis über 500°C vor, und der Druck liegt typischerweise bei 12 bar bis über 30 bar. Diese Bedingungen herrschen im Wesentlichen auch im Überströmkanal 14. Es ist daher ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass im Gegensatz zum Stand der Technik im hinsichtlich Temperatur und Druck hochbelasteten Teil keine beweglichen Teile angeordnet sind, und keine relativbeweglichen Teile wie eine Antriebswelle für ein Umwälzgebläse abgedichtet werden müssen. So kann ein Treibmittelgebläse 20 an einer hinsichtlich Druck und Temperatur gering belasteten Stelle angeordnet werden, was einerseits die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht und andererseits Aufwand und Kosten senkt. Alternativ kann das Treibmittel selbstverständlich auch von einem Druckluftsystem stammen. Zur Isolation der Treibmittelversorgung von den hohen Drücken und Temperaturen während des Betriebes der Gasturbogruppe sind ein Rückschlagorgan 23 und ein Absperrorgan 24 angeordnet.
Die Ausführung gemäss Figur 3 unterscheidet sich vom vorangehenden Beispiel dadurch, dass am stromabwärtigen Ende der Überströmleitung 14 eine Strömuπgs-Leitvorrichtung 21 angeordnet ist, welche vorliegend als Düse ausgebildet ist, dergestalt, dass die austretende Strömung 22 ebenfalls in der Art eines Ejektors als Treibmittel für eine Zirkulationsströmung 19 in der Kavität 2, 7 wirkt. Damit kann eine gerichtete Strömung in der Kavität erzeugt werden.
Dies ist gerade auch dann vorteilhaft, wenn eine Konfiguration vorliegt, wie sie in Figur 4 dargestellt ist. In Figur 4 ist eine perspektivische Darstellung einer ringförmigen Kavität dargestellt. Die innere Begrenzung 12, 13 ist nur schematisch als Vollzylinder dargestellt. Zwischen dieser inneren Begrenzung und einem Aussenmantel 11 ist eine Kavität 2, 7 ausgebildet. In axialer Richtung verteilt sind drei durch den Aussenmantel 11 hindurchgeführte, in der Darstellung an sich nicht sichtbare Ejektoren 21 hiπdurchgeführt, welche schematisch durch gestrichelte Linien angedeutet sind. Die Ejektoren sind so angeordnet, dass die Orientierung der Ausblaserichtung des Treibmittels 22 in axialer Richtung um einen Winkel α gegen die durch eine strichpunktierte Linie U angedeutete Umfangsrichtung geneigt ist. Um insbesondere die primär angestrebte Umfangsströmung anzuregen, kann dieser Anstellwinkel α auf Werte unter 30°, insbesondere auf werte kleiner als 10°, eingeschränkt werden. Es stellt sich in Folge eine nicht dargestellte schraubenförmige Durchströmung der Kavität ein, welche weiterhin ein sich gegebenenfalls einstellendes axiales Temperaturgefälle zu vermeiden hilft. Dies wird weiterhin unterstützt, wenn das stromabwärtige Ende und das stromaufwärtige Ende einer Überströmleitung an unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet sind.
Die Erfindung ist keineswegs darauf beschränkt, in den am weitesten aussen liegenden Kavitäten 2, 7 verwendet zu werden. Die Erfindung kann sehr einfach ebenso für die Brennkammern 3, 5 oder und den zwischen den Gehäuseelementen 12, 13 und der Welle 9 gebildeten Raum realisiert werden.
Der Fachmann erkennt ohne Weiteres, dass die Anwendung der Erfindung keineswegs auf Gasturbinen beschränkt ist, sondern dass die Erfindung in einer Vielzahl weiterer Anwendungsfälle eingesetzt werden kann. Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung auch nicht auf eine in Fig. 1 dargestellte Gasturbine mit sequentieller Verbrennung beschränkt, sondern sie kann auch bei Gasturbinen mit nur einer oder mehr als zwei Brennkammern Anwendung finden. Insbesondere kann die Erfindung auch in Dampfturbinen realisiert werden.
Bezugszeichenliste
1 Verdichter 2 Kavität, Plenum
3 Brennkammer
4 erste Turbine 5 Brennkammer
6 zweite Turbine
7 Kavität 9 Welle 10 Maschinenachse
11 Aussengehäuse, Aussenmantel, äussere Wand
12 inneres Gehäuse, innere Wand, Brenπraumwand
13 inneres Gehäuse, innere Wand, Brenπraumwand
14 Überströmleitung 15 Entnahmestelle, stromaufwartiges Ende der Überströmleitung
16 stromabwärtiges Ende der Überströmleitung
17 Ejektoranordnung
18 Treibm littelströmung
19 Ausgle iichsströmung
20 Treibm ύttelgebläse
21 Strömungsleitvorrichtung, Ejektor
22 Austrittsströmuπg
23 Rückschlagorgan
24 Absperrorgan U Umfangsrichtung α Anstellwinkel gegen die Umfangsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Turbomaschine, welche wenigstens eine Kavität (2, 7) mit ringförmigem oder ringsegmentförmigem Querschnitt aufweist, wobei ein Uberströmkanal (14) angeordnet ist, welcher zwei an unterschiedlichen Umfangspositionen gelegene Stellen der Kavität miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Überströmkanals ein Ejektor (17) zum Antrieb einer Strömung durch den Überströmkanal (14) von einem stromaufwärtigen Ende (15) zu einem stromabwärtigen Ende (16) des Überströmkanals angeordnet ist.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal ausserhalb des Gehäuses (11 ) der Turbomaschine angeordnet ist.
3. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal an zwei im Wesentlichen diagonal gegenüberliegenden Stellen der Kavität in die Kavität mündet.
4. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal an zwei auf unterschiedlichen geodätischen Höhen angeordneten Positionen in die Kavität mündet.
5. Turbomaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal an einer höchstgelegenen und einer tiefstgelegenen Stelle der Kavität mündet.
6. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das stromabwärtige Ende des Überströmkanals an der höhergelegenen Stelle angeordnet ist.
7. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der stromabwärtigen Mündung (16) des Überströmkanals (14) eine Austritts-Leiteinrichtung (21 ) angeordnet ist, durch welche der Überströmkanal in der Kavität mündet, und welche der austretenden Strömung (22) eine definierte Strömungsrichtung aufprägt.
8. Turbomaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmrichtung der Austritts-Leiteinrichtung im wesentlichen in Umfangsrichtung (U) der Kavität orientiert ist, und/oder mit einem Winkel
( ) von weniger als 30°, bevorzugt weniger als 10°, gegen die Umfangsrichtung der Kavität in axialer Richtung geneigt ist.
9. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritts-Leiteinrichtuπg (21) eine Düse ist.
10. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungen des Überströmkanals an unterschiedlichen axialen Positionen des Überströmkanals angeordnet sind.
11.Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kavität Öffnungen zur Abfuhr von Fluid aus der Kavität angeordnet sind.
12. Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Stillstand der Turbomaschine, insbesondere in einer einer Ausserbetriebnahme folgenden Abkühlungsphase, ein Fluid durch den Ejektor in den Überströmkanal einströmt, und damit eine Strömung in dem Überströmkanal antreibt.
13Nerfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Massenstrom durch den Überströmkanal so bemessen ist, dass das Volumen der Kavität zwischen 4 mal und 8 mal, bevorzugt 6 mal, pro Minute umgewälzt wird.
Nerfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom durch den Ejektor zwischen 8% und 15%, bevorzugt
10%, des Massenstroms durch den Überströmkanal beträgt.
Nerfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, aus der Kavität Fluid durch den Kühlmittelpfad der Turbomaschine abströmt.
Nerfahreπ nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid vor der Zuströmung zum Ejektor aufgeheizt wird.
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