EP2031302A1

EP2031302A1 - Gasturbine mit einer kühlbaren Komponente

Info

Publication number: EP2031302A1
Application number: EP07016761A
Authority: EP
Inventors: Roland Dr. Liebe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-04

Abstract

Bei einer Gasturbine (1) mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an einer Turbinenwelle (8) angeordneten Laufschaufeln (12) und mit einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefassten, mit einem Turbinengehäuse (16) verbundenen Leitschaufeln (14) sowie mit einer Anzahl von heißgasführenden Komponenten, in deren einen Heißgas-Strömungsraum (36) begrenzende Außenwand (28) jeweils eine Anzahl von Kühlkanälen (32) zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium integriert ist, soll der selbst im Hinblick auf das beschränkte Platzangebot und einen aus Wirkungsgradgründen angestrebten niedrigen Druckverlust eine ausreichende Kühlwirkung an den thermisch besonders belasteten Bereichen der jeweiligen Komponente sicher erzielt werden können. Dazu ist zumindest einer der in die Außenwand (28) der jeweiligen Komponente integrierten Kühlkanäle (32) an seiner vom Heißgas-Strömungsraum (36) abgewandten Innenwand (38) mit turbulenzerzeugenden Strukturelementen (34) versehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an einer Turbinenwelle angeordneten Laufschaufeln und mit einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefassten, mit einem Turbinengehäuse verbundenen Leitschaufeln sowie mit einer Anzahl von heißgasführenden Komponenten, in deren einen Heißgas-Strömungsraum begrenzende Außenwand jeweils eine Anzahl von Kühlkanälen zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium integriert ist.
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 Führung des Heißgasstroms in die Turbineneinheit hinein sind dabei eine Anzahl geeigneter heißgasführender Komponenten, beispielsweise die Brennkammer an sich oder deren Ausströmbereich sowie dieser nachgeschaltete, in die Turbineneinheit mündende Übergangsstücke vorgesehen.
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 oder auch von den genannten heißgasführenden Komponenten, vorgesehen. Diese betroffenen Komponenten, insbesondere die heißgasführenden Komponenten wie Brennkammerwände oder Übergangsstücke, sind daher üblicherweise kühlbar ausgebildet, wobei insbesondere eine wirksame und zuverlässige Kühlung der den Strömungsraum des Heißgases unmittelbar begrenzenden Komponentenwände sichergestellt sein soll. Zur Kühlung weist die betroffene Außenwand der jeweiligen Komponente dabei üblicherweise einen in das Wandmaterial integrierten Kühlkanal zur Beaufschlagung mit einem Kühlmittel wie beispielsweise Luft oder Dampf auf.
Auf diese Weise ist mit vergleichsweise einfachen Mitteln ein zuverlässiges Kühlsystem für die jeweilige Komponentenwand bereitstellbar, wobei auch thermisch besonders belastete Zonen der Komponente geeignet mit Kühlmittel beaufschlagbar sind. Dabei kann sich jedoch als problematisch erweisen, dass im Hinblick auf die zur strukturellen Stabilität erforderlichen Wandstärken die für die Kühlkanäle erreichbaren Strömungsquerschnitte nur begrenzt sind. Ein zu gering bemessener Strömungsquerschnitt kann dabei unter anderem dazu beitragen, dass der Strömungswiderstand bei der Durchströmung des Kühlmittels durch den Kühlkanal unerwünscht hoch ist, was sich wirkungsgradmindernd auswirken kann. Um diesen Nachteil zu begrenzen, könnte allgemein die Durchflussrate des Kühlmittels herabgesetzt werden, was andererseits aber wieder die angestrebte Kühlwirkung nachteilig beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine der oben genannten Art anzugeben, bei der selbst im Hinblick auf das beschränkte Platzangebot und einen aus Wirkungsgradgründen angestrebten niedrigen Druckverlust eine ausreichende Kühlwirkung an den thermisch besonders belasteten Bereichen der jeweiligen Komponente sicher erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zumindest einer der in die Außenwand der jeweiligen Komponente integrierten Kühlkanäle an seiner vom Heißgas-Strömungsraum abgewandten Innenwand mit turbulenzerzeugenden Strukturelementen versehen ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Gewährleistung einer ausreichenden Kühlwirkung an den genannten Komponenten bei akzeptablem Druckverlust grundsätzlich als Auslegungsziel für die jeweiligen Kühlkanäle die Maximierung des Kennwerts Wärmeübertrag/(Druckverlust)ⁿ berücksichtigt werden sollte, wobei der Exponent n ein von der jeweiligen Komponente und deren spezifischen Einsatzbedingungen abhängiger Koeffizient ist. Die als Auslegungsziel zugrunde gelegte Maximierung dieses Kennwerts kann durch Maximierung des Wärmeübertragungskoeffizienten der Oberfläche des jeweiligen Kühlkanals begünstigt werden. Um einen besonders großen Wert dieses Wärmeübertragungskoeffizienten zu erhalten, sollte die Innenwand des jeweiligen Kühlkanals mit turbulenzerzeugenden Strukturen versehen sein, um durch die damit im im Kühlkanal strömenden Kühlmittel erzeugten Turbulenzen einen besonders innigen Kontakt zwischen Kühlmittel und Kanalwand und somit einen besonders effektiven Wärmeaustausch zwischen Kanalwand und Kühlmittel zu gewährleisten. Gerade über die gezielte Erzeugung von Turbulenzen oder Wirbeln im Kühlmittel ist dieser hohe Wärmeübertrag dabei erreichbar, ohne dass gleichzeitig ein allzu hoher Druckverlust im Kühlmittel in Kauf zu nehmen ist. Um bei einer derartigen Anordnung ein vergleichsweise homogen verlaufendes Temperaturprofil unter Vermeidung zu hoher durch Temperaturunterschiede induzierter thermischer Spannungen in den Materialien zu erreichen, sollte ein derartig hoher wandseitiger Wärmeübertrag aber nicht für diejenige Kanalwand, die ihrerseits unmittelbar mit der Heißgaszone in Berührung steht, sondern vielmehr gezielt für die dieser gegenüberliegende Kanalwand vorgesehen sein. Damit ist ein zu hoher Temperaturgradient im Wandmaterial sicher vermieden.
Eine besonders dünne Kanalwand zwischen Kühlkanal und Heißgas-Strömungsraum kann erreicht werden, wenn diejenige Wand des Kühlkanals, welche dem Heißgas-Strömungsraum zugewandt ist, frei von turbulenzerzeugenden Strukturen ist.
Der gewünschte hohe Wärmeübertrag zwischen Kühlmittel und Kanalwand ist in vorteilhafter Ausgestaltung erreichbar, indem als turbulenzerzeugende Strukturelemente an die jeweilige Kanalwand oder Wandzone angeformte Mischerflossen, Rippenstrukturen oder andere geeignet gewählte, aus dem Wandmaterial in den Strömungsbereich des Kühlmittels hineinragende Strukturelemente vorgesehen sind. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind als turbulenzerzeugende Strukturelemente aber lokale Wandvertiefungen, auch als so genannte "Dimples" oder konkave Einformungen in der Wandoberfläche bezeichnet, vorgesehen. Derartige lokale Wandvertiefungen oder "Dimples" können verschiedenartige Außenkonturen wie beispielsweise kreisförmig, quadratisch, dreieckig, hexagonal oder dergleichen, verschiedenartige Grundformen wie sphärisch, zylindrisch oder der gleichen, und Geometrieparameter, wie Einprägetiefen, effektiver Oberflächenanteil und dergleichen, aufweisen. Im Vergleich zu anderen turbulenzerzeugenden Strukturelementen haben derartige Einprägungen oder lokale Wandvertiefungen insbesondere den Vorteil, dass durch derartige Strukturen der spezifische Wärmeübertrag an der Grenzfläche signifikant gesteigert werden kann, ohne dass dadurch der Druckverlust im besonderen Maße steigt. Insbesondere ist der für eine gewünschte Erhöhung des Wärmeübertrags in Kauf zu nehmende Druckverlust durch derartige lokale Wandvertiefungen im Vergleich zu aus der Wandfläche hervortretenden Strukturen üblicherweise nur etwa halb so groß.
Ein auch im Hinblick auf die bestimmungsgemäß im strömenden Kühlmittel erzeugten Wirbeln oder Turbulenzen besonders gleichmäßiger Strömungsverlauf und damit ein besonders gleichmäßiger Wärmeübertrag bei begrenztem Druckverlust ist erreichbar, indem die turbulenzerzeugenden Strukturelemente in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung in einem zugeordneten Oberflächenbereich der Innenwand in einer regelmäßigen Gitteranordnung angeordnet sind. Als Gitteranordnung ist dabei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ein hexagonales Gitter vorgesehen, bei dem eine besonders hohe Packungs- oder Flächendichte der Strukturelemente erreichbar ist. Die turbulenzerzeugenden Strukturelemente sind dabei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung in ihrer Außenkontur an die Gitterstruktur angepasst. Bei der Wahl eines Hexagonalgitters für die Gitteranordnung ist somit in dieser Ausgestaltung eine sechsecksförmige Außenkontur für die Strukturelemente vorgesehen.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung kommen die genannten turbulenzerzeugenden Strukturmittel in einem Kühlkanal einer Brennkammerwand oder eines der Brennkammer heißgasseitig nachgeschalteten Übergangsstücks der Gasturbine zum Einsatz.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Anbringung turbulenzerzeugender Strukturelemente und insbesondere von konkaven Wandvertiefungen an der Innenwand eines in die Außenwand der heißgasführenden Komponente integrierten Kühlkanals bei begrenztem Druckverlust ein besonders hoher Wärmeübertrag und somit selbst bei nur begrenztem Platzangebot für das Kühlsystem eine besonders wirksame Kühlung auch thermisch hoch belasteter Zonen gewährleistet werden kann. Insbesondere durch die Anordnung dieser Strukturelemente an der vom Heißgas-Strömungsraum abgewandten Innenwand des Kühlkanals ist dabei zudem ein zu hoher Temperaturgradient im Wandmaterial unmittelbar benachbart zum Strömungsraum des Heißgases sicher vermieden.
Zur Herstellung der Oberflächenstrukturen kommen grundsätzlich verschiedene geeignete Verfahren in Betracht, wie beispielsweise Gießen, Ätzen, spanabhebende Bearbeitung, Kaltverformung durch Pressen oder dergleichen. Im Hinblick auf die möglicherweise begrenzte Zugänglichkeit der betroffenen Oberflächen im Innenwandbereich der Kühlkanäle besonders vorteilhaft ist aber in der Art einer so genannten Wölbstrukturierung die Herstellung durch die Nutzung einer "natürlichen Faltung", die Materialien unter geeigneten Umgebungsbedingungen unter Beaufschlagung mit externem hydrostatischen Druck aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1: einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
FIG 2: einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt der Gasturbine nach FIG 1 mit der Darstellung eines Kühlkanals in einer Außenwand einer Brennkammer, und
FIG 3: einen Ausschnitt aus der Oberfläche einer Innenwand des Kühlkanals nach FIG 2.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Gasturbine 1 gemäß FIG 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.
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 einem Innengehäuse 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 aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes 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 am Innengehäuse 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 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 19 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 19 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 ebenso wie als heißgasführende Komponenten die Außenwand 28 der Brennkammer 4 und ein dieser nachgeschaltetes Übergangsstück durch Kühlluft als Kühlmedium kühlbar.
Dazu sind, wie dies in der vergrößerten Darstellung in FIG 2 erkennbar ist, in die Außenwand 28 der Brennkammer 4 Kühlkanäle 32 integriert, die geeignet mit Kühlluft als Kühlmedium beaufschlagbar sind. Eine analoge Ausgestaltung ist auch für die Außenwand des der Brennkammer 4 nachgeschalteten Überströmstücks vorgesehen.
Bei der Auslegung und Ausgestaltung der in die Außenwand 28 der jeweiligen heißgasführenden Komponente integrierten Kühlkanäle 32 ist insbesondere berücksichtigt, dass gerade im Hinblick auf das durch die Wandstärke begrenzte Platzangebot für das Kühlsystem ein besonders hoher Wirkungsgrad der Kühlung unter möglichst begrenzt gehaltenem Druckverlust erreicht werden soll. Um dies zu ermöglichen, ist der jeweilige Kühlkanal 32 an seiner Innenwand mit turbulenzerzeugenden Strukturelementen 34 versehen, die bei nur begrenzter Erhöhung des Druckverlusts den Wärmeübergang vom im Kühlkanal 32 geführten Kühlmittel in die Wand hinein deutlich erhöhen. Wie der Darstellung in FIG 2 entnehmbar ist, sind diese turbulenzerzeugenden Strukturelemente 34 im Ausführungsbeispiel ausschließlich an der vom Heißgas-Strömungsraum 36 abgewandten Innenwand 38 des Kühlkanals 32 angeordnet. Die dem Heißgas-Strömungsraum 36 zugewandte Innenwand 40 des Kühlkanals 32 ist dabei im Ausführungsbeispiel frei von derartigen Strukturelementen gehalten, so dass ein zu hoher Temperaturgradient im Bereich zwischen dem Heißgas-Strömungsraum 36 und der diesem zugewandten Innenwand 40 des Kühlkanals 32 vermieden werden kann. Mit anderen Worten: die Innenwand 40 des Kühlkanals 32 ist glatt bzw. eben.
Wie der Darstellung eines Oberflächenausschnitts der Innenwand 38 des Kühlkanals 32 gemäß FIG 3 entnehmbar ist, sind die turbulenzerzeugenden Strukturelemente 34 im Ausführungsbeispiel als lokale Wandvertiefungen oder konkave Vertiefungen 42, so genannte "Dimples" ausgestaltet. Grundsätzlich können diese lokalen Vertiefungen beliebige geeignete Außenkonturen wie beispielsweise kreisförmig, quadratisch oder dergleichen aufweisen. Im Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen aber mit einer hexagonalen oder sechsecksförmigen Außenkontur versehen. Des Weiteren sind die Vertiefungen 42 in einer regelmäßigen Gitterstruktur an der Oberfläche angeordnet, wobei im Ausführungsbeispiel eine hexagonale Gitterstruktur gewählt ist. Damit sind die Vertiefungen 42 in ihrer Außenkontur an die Gitterstruktur angepasst.

Claims

Gasturbine (1) mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an einer Turbinenwelle (8) angeordneten Laufschaufeln (12) und mit einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefassten, mit einem Turbinengehäuse (16) verbundenen Leitschaufeln (14) sowie mit einer Anzahl von heißgasführenden Komponenten, in deren einen Heißgas-Strömungsraum (36) begrenzende Außenwand (28) jeweils eine Anzahl von Kühlkanälen (32) zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium integriert ist,
wobei zumindest einer der Kühlkanäle (32) an seiner vom Heißgas-Strömungsraum (36) abgewandten Innenwand (38) mit turbulenzerzeugenden Strukturelementen (34) versehen ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1, bei der die Wand des Kühlkanals (32),
welche dem Heißgas-Strömungsraum zugewandt ist, frei von turbulenzerzeugenden Strukturelementen ist.
Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2,
bei der als turbulenzerzeugende Strukturelemente (34) Mischerflossen vorgesehen sind.
Gasturbine nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der als turbulenzerzeugende Strukturelemente (34) lokale Wandvertiefungen (40) vorgesehen sind.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der die turbulenzerzeugenden Strukturelemente (34) in einem zugeordneten Oberflächenbereich der Innenwand (38) in einer regelmäßigen Gitteranordnung, vorzugsweise in der Art eines Hexagonalgitters, angeordnet sind.
Gasturbine nach Anspruch 5,
bei der die turbulenzerzeugenden Strukturelemente (34) in ihrer Außenkontur an die Gitterstruktur angepasst sind.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei der die turbulenzerzeugenden Strukturelemente (34) in einem Kühlkanal (32) einer Brennkammerwand oder eines der Brennkammer (4) heißgasseitig nachgeschalteten Übergangsstückes (30) angeordnet sind.