EP2180148A1

EP2180148A1 - Gasturbine mit Kühleinsatz

Info

Publication number: EP2180148A1
Application number: EP08018754A
Authority: EP
Inventors: Fathi Ahmad; Christian Lerner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2010-04-28
Also published as: JP5281166B2; EP2347100B1; CN102197195B; WO2010049195A1; JP2012506964A; CN102197195A; EP2347100A1; US20110255956A1

Abstract

Eine 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, mittels eines Leitschaufelträgers (16) an einem Turbinengehäuse befestigten Leitschaufeln (14), wobei der Leitschaufelträger (16) eine Anzahl von Kühlluftbohrungen aufweist, soll unter Beibehaltung der größtmöglichen betrieblichen Sicherheit einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweisen. Dazu ist in eine Kühlluftbohrung ein Kühleinsatz (22) eingebracht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an einer Turbinenwelle angeordneten Laufschaufeln und mit einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefassten, mittels eines Leitschaufelträgers an einem Turbinengehäuse befestigten Leitschaufeln, wobei der Leitschaufelträger eine Anzahl von Kühlluftbohrungen aufweist.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Strömungsführung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene und zu Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln angeordnet.
Die Brennkammer der Gasturbine kann als so genannte Ringbrennkammer ausgeführt sein, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle herum angeordneten Brennern in einen gemeinsamen, von einer hochtemperaturbeständigen Umfassungswand umgebenen Brennkammerraum mündet. Dazu ist die Brennkammer in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet. Neben einer einzigen Brennkammer kann auch eine Mehrzahl von Brennkammern vorgesehen sein.
Unmittelbar an die Brennkammer schließt sich in der Regel eine erste Leitschaufelreihe einer Turbineneinheit an, die zusammen mit der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen unmittelbar nachfolgenden Laufschaufelreihe eine erste Turbinenstufe der Turbineneinheit bildet, welcher üblicherweise weitere Turbinenstufen nachgeschaltet sind.
Die Leitschaufeln sind dabei jeweils über einen auch als Plattform bezeichneten Schaufelfuß an einem Leitschaufelträger der Turbineneinheit fixiert. Dabei kann der Leitschaufelträger zur Befestigung der Plattformen der Leitschaufeln ein Isolationssegment umfassen. Zwischen den in axialer Richtung der Gasturbine voneinander beabstandet angeordneten Plattformen der Leitschaufeln zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring am Leitschaufelträger der Turbineneinheit angeordnet. Ein derartiger Führungsring ist durch einen Radialspalt von den Schaufelspitzen der an gleicher axialer Position an der Turbinenwelle fixierten Laufschaufeln der zugehörigen Laufschaufelreihe beabstandet. Damit bilden die Plattformen der Leitschaufeln und die ihrerseits gegebenenfalls in Umfangsrichtung der Gasturbine segmentiert ausgeführten Führungsringe eine Anzahl von die äußere Begrenzung eines Strömungskanals für das Arbeitsmedium darstellenden Wandelementen der Turbineneinheit.
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 der das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa 1200 °C bis 1500 °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. Daher ist insbesondere der Leitschaufelträger der Gasturbine üblicherweise aus Gussstahl gefertigt, da dieser geeignet ist, den hohen Temperaturen innerhalb der Gasturbine zu widerstehen. Weiterhin sind üblicherweise im Leitschaufelträger Kühlluftbohrungen vorgesehen, durch die Kühlluft aus den äußeren Bereichen der Gasturbine in das Innere strömt und dabei den Leitschaufelträger kühlt. Üblicherweise sind dabei mehrere Kühlluftreservoirs mit unterschiedlichen Temperaturen und Drücken zwischen Turbinengehäuse und Leitschaufelträger vorgesehen.
Eine ausreichende Kühlung des Leitschaufelträgers ist u. a. deshalb erforderlich, da zu hohe Temperaturen und damit zu hohe Temperaturunterschiede in verschiedenen Betriebszuständen thermische Verformungen des Leitschaufelträgers zur Folge haben, welche beim Bau der Gasturbine berücksichtigt werden müssen. Dabei müssen die Spaltmaße insbesondere der Radialspalte zwischen Laufschaufelenden und Innenwand entsprechend groß gewählt werden, um durch die Verformung des Leitschaufelträgers erzeugte Varianzen zu kompensieren und so Beschädigungen der Gasturbine vorzubeugen. Eine Vergrößerung der Spalte hat jedoch eine Erniedrigung des Wirkungsgrades der Gasturbine zur Folge. Dementsprechend sollte stets für eine ausreichende Kühlung zur Verminderung der Verformung des Leitschaufelträgers gesorgt werden.
Andererseits bedeutet eine starke Kühlung des Leitschaufelträgers auch einen hohen Verbrauch an Kühlluft, die dann ins Innere der Gasturbine strömt. Diese senkt die Temperatur im Inneren der Gasturbine und kann daher ebenfalls den Wirkungsgrad der Gasturbine senken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine anzugeben, die unter Beibehaltung der größtmöglichen betrieblichen Sicherheit einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem in eine Kühlluftbohrung ein Kühleinsatz eingebracht ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad durch eine Erhöhung der Temperatur im Inneren der Gasturbine erreicht werden kann. Dies kann durch eine Reduktion des Kühlluftverbrauchs, d. h. eine Reduktion der in das Innere der Gasturbine eingebrachten Menge an Kühlluft geschehen. Eine Reduktion der Kühlluftmenge hat jedoch eine Erhöhung der Temperatur des Leitschaufelträgers zur Folge, da durch dessen Kühlluftbohrungen dann weniger Luft strömt und dementsprechend weniger Wärme abtransportiert wird. Dies kann jedoch eine Verformung des Leitschaufelträgers zur Folge haben, die beim Bau der Gasturbine dann berücksichtigt werden müsste. Daher sollte die vorhandene Kühlluft besonders effektiv zur Kühlung genutzt werden, d. h., es sollte mit einer geringstmöglichen Kühlluftmenge eine möglichst große Menge an Wärme abtransportiert werden. Ausgehend von der Erkenntnis, dass eine turbulente Strömung einen besseren Wärmeübertrag ermöglicht als eine laminare Strömung, ist es daher sinnvoll, in den Kühlluftbohrungen eine Verwirbelung der Strömung zu erzeugen. Dies ist erreichbar, indem in die Kühlluftbohrungen ein Kühleinsatz eingebracht wird.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Kühleinsatz rohrförmig ausgebildet und mit in seiner Rohrwand angeordneten, fensterförmigen Wandöffnungen versehen, welche durch Stege voneinander getrennt sind. Hierdurch ist es möglich, dass die durch den Kühleinsatz strömende Kühlluft weiterhin großflächig mit der Wand der Kühlluftbohrungen des Leitschaufelträgers in Kontakt kommen kann, um diesen die Wärmeenergie zu entziehen.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst der jeweilige Kühleinsatz zumindest einen Turbulator. Turbulatoren sind kleine Erhebungen, d. h. generell aufgebrachte Oberflächenstörungen, welche eine laminare Strömung in eine turbulente umschlagen lassen. Diese können beispielsweise von den Stegen gebildet werden oder in Form von erhöhten Drähten, Blechecken oder ähnlichem ausgebildet sein. Selbst wenn die Strömung in der Kühlluftbohrung bereits turbulent ist, sorgen diese Turbulatoren für einen noch besseren Wärmeübertrag und damit insgesamt für eine bessere Kühlung des Leitschaufelträgers bei reduziertem Kühlluftverbrauch.
Der Kühleinsatz kann vorteilhafterweise anstelle oder ergänzend zu den Turbulatoren auch als Prallkühleinsatz ausgebildet sein. Die durch diesen strömende Kühlluft kann durch die Prallkühlöffnungen strahlenartig austreten und dabei quer auf die Kühlluftbohrungswände des Leitschaufelträgers auftreffen. Hierdurch wird eine besonders effiziente Kühlung der Leitschaufelträgers erreicht.
Vorteilhafterweise umfasst der jeweilige Kühleinsatz gewindeartige Strukturen. Durch eine Gewindestruktur kann der Strömung im Inneren der Kühlluftbohrung ein Drall aufgezwungen werden, was einerseits für eine Verwirbelung der Strömung sorgt, andererseits einen längeren Verbleib der Kühlluft in der Kühlluftbohrung zur Folge hat. Dadurch wird ebenfalls ein besserer Wärmeübertrag vom Material des Leitschaufelträgers auf die durchströmende Kühlluft gewährleistet.
Vorteilhafterweise ist der jeweilige Kühleinsatz aus dem gleichen Material wie der Leitschaufelträger gefertigt. Dadurch können evtl. Komplikationen aufgrund unterschiedlicher Materialauswahl des Kühleinsatzes und des Leitschaufelträgers, wie beispielsweise eine unterschiedliche thermische Ausdehnung, vermieden werden und es ist insgesamt eine vergleichsweise einfachere Konstruktion möglich.
Durch die Einbringung von Kühleinsätzen in die Kühlluftbohrungen des Leitschaufelträgers werden die Kühleigenschaften dieser Kühlluftbohrungen verändert. Zur Erreichung derselben Kühlwirkung ist eine geringere Menge an eingebrachter Kühlluft notwendig. Dementsprechend sollte vorteilhafterweise die Kühlluftzuleitung zu den Kühlluftbohrungen an die Kühleigenschaften des jeweiligen Kühleinsatzes angepasst werden. Dies bedeutet, dass Temperatur und Druck der eingebrachten Kühlluft an die neuen, veränderten Eigenschaften hinsichtlich der Kühlung durch die Kühleinsätze optimiert werden.
Vorteilhafterweise kommt eine derartige Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage zum Einsatz.
Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Einbringung von Kühleinsätzen in die Kühlluftbohrungen des Leitschaufelträgers ein insgesamt besserer Wirkungsgrad der Gasturbine durch die verbesserte Kühlung bei gleichzeitig verringerter Kühlluftmenge erzielt wird. Weiterhin lassen sich derartige Einsätze besonders einfach einbringen und können auch dementsprechend relativ einfach in der Art einer Nachrüstung bei älteren Gasturbinen verwendet werden. Die Kühleinsätze lassen sich außerdem flexibel an die jeweiligen Erfordernisse hinsichtlich Kühlung und Kühlluftverbrauch anpassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1: einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
FIG 2: einen Halbschnitt durch die untere Hälfte eines Kühleinsatzes, und
FIG 3: eine Aufsicht auf einen Kühleinsatz.

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 Turbineneinheit 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbineneinheit 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 in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
Die Turbineneinheit 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 Turbineneinheit 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Leitschaufelträger 16 der Turbineneinheit 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 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 Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 an einem Leitschaufelträger 16 der Turbineneinheit 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 Turbineneinheit 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 19 an der Turbinenwelle 8 befestigt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 an einem Leitschaufelträger 16 der Turbineneinheit 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse 16 im Leitschaufelträger oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.
Die Brennkammer 4 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten Brennern 10 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.
Da auch der Leitschaufelträger 16 durch die hohen Temperaturen des Arbeitsmediums M aufgeheizt wird, sind in den Leitschaufelträger 16 Kühlluftbohrungen eingebracht, durch die Kühlluft unterschiedlicher Temperatur und unterschiedlichen Druckes aus verschiedenen Kammern außerhalb des Bereichs des Leitschaufelträgers 16 durch den Leitschaufelträger 16 ins Innere der Gasturbine 1 geführt wird. Diese Kühlluft sorgt für eine Kühlung des Leitschaufelträgers 16, so dass thermische Verformungen des Leitschaufelträgers 16 verringert werden.
Da eine große Menge Kühlluft jedoch die Temperatur im Inneren der Gasturbine 1 verringert und somit den Wirkungsgrad erniedrigt, soll die benutzte Kühlluftmenge möglichst gering gehalten werden. Um dennoch eine ausreichende Kühlung des Leitschaufelträgers 16 zu gewährleisten, sind in die Kühlluftbohrungen Kühleinsätze 22 eingesetzt. Sofern der Kühleinsatz 22 als Prallkühleinsatz ausgebildet ist, ist sein Außendurchmesser geringfügig geringer als der Durchmesser der Kühlluftbohrung.
Ein Querschnitt durch eine Hälfte eines derartigen Kühleinsatzes 22 ist in FIG 2 dargestellt. Der Kühleinsatz 22 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form, um in die vorhandenen Kühlluftbohrungen eingesetzt werden zu können. Auf diese Weise können auch bestehende Gasturbinen mit einem derartigen Kühleinsatz 22 nachgerüstet werden. Zudem ist er rohrförmig, also entlang seiner Axialerstreckung durchströmbar. An einer Seite umfasst der Kühleinsatz 22 dabei einen Flansch 23 zur Fixierung.
Der Kühleinsatz 22 weist an seiner im Querschnitt kreisförmigen Rohrwand mehrere, fensterförmige Wandöffnungen 25 auf, die sowohl entlang seiner Axialerstreckung als auch am Umfang verteilt sein können. Die Wandöffnungen sind vergleichsweise großflächig und werden durch Stege 26 voneinander getrennt. Ein derartiger Kühleinsatz 22 weist dann im Gegensatz zu dem Prallkühleinsatz einen Außendurchmesser auf, welcher dem Durchmesser der Kühlluftbohrung entspricht.
Die in Umfangsrichtung des Kühleinsatzes 22 sich erstreckenden Stege 26 sind als Turbulatoren 24 ausgebildet, an denen sich der Luftstrom bricht und die laminare Strömung in eine turbulente Strömung verwandelt. Andere Formen und Anordnungen von Turbulatoren sind dabei auch möglich. Die turbulente Strömung kommt im Bereich der Wandöffnungen 25 mit der Wand der Kühlluftbohrung des Leitschaufelträgers zu dessen Kühlung in Berührung. Dadurch ist eine bessere Wärmeübertragung vom Material des Leitschaufelträgers 16 an die Kühlluft gewährleistet. Die Stege 26 und/oder die Turbulatoren 24 können auch in der Art eines Gewindes angeordnet sein, so dass der Kühlluft noch ein zusätzlicher Drall gegeben wird, so dass die Verweildauer und die Verwirbelung in der Kühlluftbohrung größer wird.
FIG 3 zeigt den Kühllufteinsatz 22 noch einmal in der Aufsicht. Auch hier sind die Flansche 23 zur Fixierung in den Kühlluftbohrungen des Leitschaufelträgers 16 erkennbar. Da durch den Kühleinsatz 22 der Wärmeübertrag vom Material des Leitschaufelträgers 16 an die Kühlluft in den Kühlluftbohrungen verbessert wird, sollte weiterhin die Kühlluftzufuhr in den Leitschaufelträger 16 noch an die neuen Kühllufteigenschaften angepasst werden. Dadurch ist eine vergleichsweise bessere und effektivere Kühlung des Leitschaufelträgers 16 gewährleistet bei gleichzeitig geringerem Kühlluftverbrauch. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad der Gasturbine 1 insgesamt steigern.

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, mittels eines Leitschaufelträgers (16) an einem Turbinengehäuse befestigten Leitschaufeln (14),
wobei der Leitschaufelträger (16) eine Anzahl von Kühlluftbohrungen aufweist, und wobei in eine Kühlluftbohrung ein Kühleinsatz (22) eingebracht ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1,
bei der Kühleinsatz (22) rohrförmig ausgebildet ist und mit in seiner Rohrwand angeordneten Wandöffnungen (25) versehen ist, welche durch Stege (26) voneinander getrennt sind.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der der jeweilige Kühleinsatz (22) zumindest einen Turbulator (24) umfasst.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
der Kühleinsatz (22) als rohrförmiger Prallkühleinsatz mit Prallkühlöffnungen ausgebildet ist.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der der jeweilige Kühleinsatz (22) gewindeartige Strukturen umfasst.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei der der jeweilige Kühleinsatz (22) aus dem gleichen Material wie der Leitschaufelträger (16) gefertigt ist.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei der die Kühlluftzuleitung zu den Kühlluftbohrungen an die Kühleigenschaften des jeweiligen Kühleinsatzes (22) angepasst ist.
Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.