EP2218880A1 - Active clearance control for gas turbines - Google Patents
Active clearance control for gas turbines Download PDFInfo
- Publication number
- EP2218880A1 EP2218880A1 EP09002137A EP09002137A EP2218880A1 EP 2218880 A1 EP2218880 A1 EP 2218880A1 EP 09002137 A EP09002137 A EP 09002137A EP 09002137 A EP09002137 A EP 09002137A EP 2218880 A1 EP2218880 A1 EP 2218880A1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- membrane
- guide
- turbine
- guide vane
- gas turbine
- 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.)
- Withdrawn
Links
Images
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
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
- F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
- F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
- F01D11/22—Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor
-
- 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
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
- F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
- F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
- F01D11/24—Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components
-
- 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
- F05D2240/00—Components
- F05D2240/10—Stators
- F05D2240/11—Shroud seal segments
-
- 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
- F05D2260/207—Heat transfer, e.g. cooling using a phase changing mass, e.g. heat absorbing by melting or boiling
-
- 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
Definitions
- the invention relates to a vane carrier system, in particular for a gas turbine, with a number of vanes combined into a vane carrier and attached to a vane carrier. It further relates to a gas turbine with such a Leitschaufelitatisystem.
- Gas turbines are used in many areas to drive generators or work machines.
- the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft.
- the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor.
- the working medium produced in the combustion chamber by the combustion of the fuel, under high pressure and at high temperature, is guided via a turbine unit arranged downstream of the combustion chamber, where it relaxes to perform work.
- a number of rotor blades which are usually combined into blade groups or rows of blades, are arranged thereon and drive the turbine shaft via a momentum transfer from the working medium.
- guide vanes are also usually arranged between adjacent rotor blade rows and connected to the turbine housing, which are combined into rows of guide blades. These are attached to a usually hollow cylindrical or hollow cone-shaped vane carrier.
- the hot gas channel is usually lined by so-called ring segments, which form the inner wall of the hot gas channel. These are usually fastened via hooking elements on the guide blade carrier, so that the entirety of the ring segments in the circumferential direction as well as the guide blade carrier form a hollow conical or hollow cylindrical structure.
- the components of the gas turbine can be deformed by different thermal expansion in different operating conditions, which has a direct influence on the size of the radial gaps between the blades and the inner wall of the hot gas duct, d. H. has the ring segments.
- These radial gaps are differently dimensioned when starting and stopping the turbine than in regular operation.
- inner wall or blades are always to be dimensioned so that the radial gaps are kept sufficiently large to cause damage to the gas turbine in any operating condition.
- a correspondingly comparatively generous design of the radial gaps leads to considerable losses in the efficiency.
- the invention is therefore based on the object to provide a guide vane system, which allows a particularly high efficiency while maintaining the greatest possible operational safety and durability.
- This object is achieved according to the invention by arranging a membrane which can be acted upon by a pressure medium in one axially adjacent region of the respective row of guide blades.
- the invention is based on the consideration that a particularly high efficiency by reducing the radial gap in normal operation, d. H.
- a particularly high efficiency by reducing the radial gap in normal operation d. H.
- a comparatively large dimension of the radial gaps is required in particular because the components of the gas turbine deform differently in different operating states.
- other radial gaps are present than in regular operation.
- set in partial load operation also different column than in full load operation.
- responsible for this temporal change of the radial gap are the different thermal inertia behavior of the individual components, the centrifugal force expansion and transverse contraction of the rotor, the play in the thrust bearing and the ovalization of the housing as a result of montage employmenter bias and uneven heating.
- an adaptation of the radial gaps should not be done by a corresponding design in the construction of the gas turbine or the Leitschaufelanisystems, but it should be adaptive adjustment of the radial gaps during operation of the gas turbine .
- the radial gaps are determined by the distance between the blade tips to the respective opposite, the guide vanes adjacent areas of the guide blade carrier. Therefore, an adaptive adaptation of the radial gaps could be achieved by a possibility for radial movement of the inner wall components of the guide vane carrier.
- a membrane which can be acted upon by a pressure medium, i. H. be arranged an elastic, stretchable surface.
- the membrane is arranged in a region of the guide blade carrier which is intended for enclosing a blade row of the gas turbine.
- a particularly simple construction of such a membrane is possible if the membrane forms a peripheral wall of a chamber which can be acted upon by the pressure medium.
- the chamber then forms a pressure chamber, which can be acted upon by the pressure medium in each required amount.
- the membrane should form each of the turbine axis facing the surrounding wall of the chamber.
- the elastic membrane then expands more or less as the surrounding wall of the chamber and thus influences the extent of the radial gaps.
- ring segments are arranged in the regions adjacent to the guide vanes, which segments form the inner peripheral wall of the hot gas duct of the gas turbine and protect the guide vanes from damage due to the penetration of hot working medium. Therefore, in an advantageous embodiment, the pressurizable with the pressure medium chamber should be arranged in such, attached to the guide vane ring segment. This allows an adaptive reduction of the radial gaps, while the protection of the guide vane carrier against ingress of hot gas remains guaranteed.
- channels are introduced into the guide vane carrier system for feeding the pressure medium to the membrane.
- These may be incorporated, for example, in the vane carrier and the ring segments, which allows easy delivery and control of the pressure on the membrane from the outside during operation of the gas turbine.
- the radial extent of the membrane should be able to be influenced separately depending on the circumferential position.
- a plurality of membranes and possibly chambers is advantageously arranged in the circumferential direction, so that a separate admission of the membranes or chambers with different pressures is possible.
- a greater pressure can be deliberately applied to the membrane in peripheral areas with larger radial gaps that are set up so that a uniform, comparatively small radial gap is achieved over the entire circumference.
- the pressure medium is sodium.
- Sodium has particularly good heat transfer properties, a low melting point and at the same time a large liquid temperature range and is thus particularly suitable as a pressure medium.
- such a vane carrier is part of a gas turbine and such a gas turbine part of a combined cycle power plant.
- the advantages achieved by the invention are, in particular, that an adaptive hydraulic adjustment of the radial gaps during operation is made possible by the arrangement of an elastic membrane which can be acted upon by a pressure medium in an area of a guide blade carrier adjacent to the respective row of guide blades.
- the membrane When the membrane is pressurized with the pressure medium, the membrane is expanded towards the blade and thus the ring diameter is reduced. This also reduces the radial gap between the blade and the housing. This makes it possible to achieve an improvement in the efficiency of the gas turbine, with the adaptation of the radial gaps only taking place during operation and not necessarily influencing the design in the construction of the gas turbine.
- Such a hydraulic radial gap closure also eliminates the disadvantages of previous solutions such as an axial displacement of the entire turbine shaft to the compressor inlet, which causes a reduction of the radial column in the turbine by the conical shape of the vane support, but an increase in the gap and thus a reduction in efficiency in the compressor result.
- the reduction of the radial gaps by a membrane which can be acted upon by a pressure medium thus enables a targeted individual radial gap adjustment for compressor and turbine and thus enables a particularly high efficiency of the entire gas turbine.
- FIG. 1 shows a part of a Leitschaufelitationsystems 1, here in particular one on a guide vane not shown here fixed ring segment 2, which forms the inner wall 4 of the hot gas channel of a gas turbine and adjacent to a number of blades not shown in detail surrounds a number of blades 6.
- the rotor blades 6 are arranged on a turbine shaft 8 and rotate during operation of the gas turbine.
- the radial gap 10 between the tips 12 of the guide vanes 8 and the inner wall 4 should be kept as low as possible.
- a number of chambers 14 is introduced into the ring segment 2, the turbine axis facing the surrounding wall is formed from a membrane 16.
- the membrane 16 is in the FIG. 1 shown in the relaxed state and can expand when exposed to a corresponding pressure medium.
- 2 channels 18 are introduced into the ring segment, through which the chamber 14 with a pressure medium, such as sodium, can be filled. This leads to a corresponding admission of the membrane 16.
- a plurality of separate chambers 14 and diaphragms 16 is provided, which makes it possible, depending on the circumferential position, to apply different pressures to the chambers 14 in order to control the radial extent of the respective membrane 16 separately. This makes it possible in particular to compensate for ovalization of the ring segments 2 caused by thermal deformation of the guide blade carrier.
- the guide vane support system 1 shown with the ring segment 2 can be used both within the turbine of a gas turbine and in the compressor.
- the 3 and 4 show once again the representations of FIG. 1 respectively.
- FIG. 2 in a different perspective.
- a gas turbine 101 as in FIG. 5 has a compressor 102 for combustion air, a combustion chamber 104 and a turbine unit 106 for driving the compressor 102 and a generator, not shown, or a working machine.
- the turbine unit 106 and the compressor 102 are arranged on the common turbine shaft 8, which is also referred to as a turbine runner and to which the generator or the work machine is also connected, and which is mounted rotatably about its turbine axis 109.
- the combustor 104 which is in the form of an annular combustor, is equipped with a number of burners 110 for combustion of a liquid or gaseous fuel.
- the turbine unit 106 has a number of rotatable blades 6 connected to the turbine shaft 108.
- the blades 6 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of blade rows.
- the turbine unit 106 includes a number of stationary vanes 114 which are also annularly attached to a vane support 116 of the turbine unit 106 to form rows of vanes.
- the blades 6 serve to drive the turbine shaft 8 by momentum transfer from the turbine unit 106 flowing through the working medium M.
- the vanes 114 serve to guide the flow of the working medium M between two seen in the flow direction of the working medium M consecutive blade rows or blade rings.
- a successive pair of a ring of vanes 114 or a row of vanes and a ring of blades 6 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
- Each vane 114 has a platform 118 which is arranged to fix the respective vane 114 to a vane support 1 of the turbine unit 106 as a wall element.
- the platform 118 is a thermally comparatively heavily loaded component, which forms the outer boundary of a hot gas channel for the turbine unit 106 flowing through the working medium M.
- Each blade 112 is fastened to the turbine shaft 108 in an analogous manner via a platform 119, also referred to as a blade root.
- a ring segment 2 is arranged on a guide blade carrier 116 of the turbine unit 106.
- the outer surface of each ring segment 2 is also exposed to the hot, the turbine unit 106 flowing through the working fluid M and spaced in the radial direction from the outer end of the opposite blades 6 through the radial gap 10.
- the arranged between adjacent rows of stator ring segments 2 are used in particular as cover that protect the inner housing in the guide blade carrier 1 or other housing-mounting components from thermal overload by the turbine 106 flowing through the hot working medium M.
- the combustion chamber 104 is configured in the exemplary embodiment as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 110 arranged around the turbine shaft 108 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space.
- the combustion chamber 104 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the turbine shaft 8 around.
- a particularly high efficiency can be achieved with simultaneously high operational safety and service life. Due to the hydraulic radial gap optimization, the radial gaps 10 can be separately optimized in each operating state both in the compressor 102 and in the turbine unit 106 of the gas turbine 101.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelträgersystem, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Anzahl von zu Leitschaufelreihen zusammengefassten, an einem Leitschaufelträger befestigten Leitschaufeln. Sie betrifft weiter eine Gasturbine mit einem derartigen Leitschaufelträgersystem.The invention relates to a vane carrier system, in particular for a gas turbine, with a number of vanes combined into a vane carrier and attached to a vane carrier. It further relates to a gas turbine with such a Leitschaufelträgersystem.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffes 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.Gas turbines are used in many areas to drive generators or work machines. In this case, the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft. For this purpose, the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor. The working medium produced in the combustion chamber by the combustion of the fuel, under high pressure and at high temperature, is guided via a turbine unit arranged downstream of the combustion chamber, where it relaxes to perform work.
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 sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene, zu Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln angeordnet. Diese sind an einem üblicherweise hohlzylinder- oder hohlkegelförmigen Leitschaufelträger befestigt.To generate the rotational movement of the turbine shaft, a number of rotor blades, which are usually combined into blade groups or rows of blades, are arranged thereon and drive the turbine shaft via a momentum transfer from the working medium. For guiding the flow of the working medium, guide vanes are also usually arranged between adjacent rotor blade rows and connected to the turbine housing, which are combined into rows of guide blades. These are attached to a usually hollow cylindrical or hollow cone-shaped vane carrier.
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. Dabei werden Temperaturen von etwa 1.200 °C bis 1.500 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.In the design of such gas turbines in addition to the achievable power usually a particularly high efficiency is a design target. An increase in the efficiency can be achieved for thermodynamic reasons basically by increasing the outlet temperature, with the working medium from the combustion chamber and flows into the turbine unit. Temperatures of about 1200 ° C to 1500 ° C for such gas turbines are sought and achieved.
Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Daher ist der Heißgaskanal üblicherweise durch so genannte Ringsegmente ausgekleidet, die die Innenwand des Heißgaskanals bilden. Diese sind üblicherweise über Verhakungselemente am Leitschaufelträger befestigt, so dass die Gesamtheit der Ringsegmente in Umfangsrichtung ebenso wie der Leitschaufelträger eine hohlkegelförmige oder hohlzylindrische Struktur bilden.At such high temperatures of the working medium, however, exposed to this components and components are exposed to high thermal loads. Therefore, the hot gas channel is usually lined by so-called ring segments, which form the inner wall of the hot gas channel. These are usually fastened via hooking elements on the guide blade carrier, so that the entirety of the ring segments in the circumferential direction as well as the guide blade carrier form a hollow conical or hollow cylindrical structure.
Die Bauteile der Gasturbine können sich durch unterschiedliche thermische Ausdehnung in unterschiedlichen Betriebszuständen verformen, was einen direkten Einfluss auf die Größe der Radialspalte zwischen Laufschaufeln und Innenwand des Heißgaskanals, d. h. den Ringsegmenten hat. Diese Radialspalte sind beim An- und Abfahren der Turbine anders dimensioniert als im regulären Betrieb. Bei der Konstruktion der Gasturbine sind Bauteile wie Leitschaufelträger, Innenwand oder Laufschaufeln stets so zu dimensionieren, dass die Radialspalte ausreichend groß gehalten sind, um in keinem Betriebszustand Beschädigungen der Gasturbine entstehen zu lassen. Eine entsprechend vergleichsweise großzügige Auslegung der Radialspalte führt jedoch zu erheblichen Einbußen im Wirkungsgrad.The components of the gas turbine can be deformed by different thermal expansion in different operating conditions, which has a direct influence on the size of the radial gaps between the blades and the inner wall of the hot gas duct, d. H. has the ring segments. These radial gaps are differently dimensioned when starting and stopping the turbine than in regular operation. In the construction of the gas turbine components such as guide blade carrier, inner wall or blades are always to be dimensioned so that the radial gaps are kept sufficiently large to cause damage to the gas turbine in any operating condition. However, a correspondingly comparatively generous design of the radial gaps leads to considerable losses in the efficiency.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Leitschaufelträgersystem anzugeben, welches bei Erhaltung der größtmöglichen betrieblichen Sicherheit und Lebensdauer einen besonders hohen Wirkungsgrad ermöglicht.The invention is therefore based on the object to provide a guide vane system, which allows a particularly high efficiency while maintaining the greatest possible operational safety and durability.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem in einem der jeweiligen Leitschaufelreihe axial benachbarten Bereich eine mit einem Druckmedium beaufschlagbare Membran angeordnet ist.This object is achieved according to the invention by arranging a membrane which can be acted upon by a pressure medium in one axially adjacent region of the respective row of guide blades.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad durch eine Reduzierung der Radialspalte im regulären Betrieb, d. h. beispielsweise im Volllastbetrieb der Gasturbine möglich wäre. Dabei ist eine vergleichsweise große Auslegung der Radialspalte insbesondere deshalb erforderlich, weil sich die Bauteile der Gasturbine in unterschiedlichen Betriebszuständen unterschiedlich verformen. Beim An- und Abfahren der Gasturbine liegen andere Radialspalte vor als im regulären Betrieb. Weiterhin stellen sich im Teillastbetrieb ebenfalls andere Spalte ein als im Volllastbetrieb. Verantwortlich für diese zeitliche Veränderung des Radialspaltes sind das unterschiedliche thermische Trägheitsverhalten der einzelnen Komponenten, die Fliehkraftdehnung und Querkontraktion des Rotors, das Spiel im Axiallager sowie die Ovalisierung des Gehäuses in Folge von montagebedingter Vorspannung und ungleichmäßiger Erwärmung.The invention is based on the consideration that a particularly high efficiency by reducing the radial gap in normal operation, d. H. For example, in full load operation of the gas turbine would be possible. In this case, a comparatively large dimension of the radial gaps is required in particular because the components of the gas turbine deform differently in different operating states. When starting and stopping the gas turbine other radial gaps are present than in regular operation. Furthermore, set in partial load operation also different column than in full load operation. Responsible for this temporal change of the radial gap are the different thermal inertia behavior of the individual components, the centrifugal force expansion and transverse contraction of the rotor, the play in the thrust bearing and the ovalization of the housing as a result of montagebedingter bias and uneven heating.
Da die Größe der Radialspalte im Betrieb von derartig vielfältigen Faktoren bestimmt wird, sollte daher eine Anpassung der Radialspalte nicht durch eine entsprechende Auslegung bei der Konstruktion der Gasturbine bzw. des Leitschaufelträgersystems geschehen, sondern es sollte adaptive Anpassung der Radialspalte während des Betriebs der Gasturbine ermöglicht werden. Die Radialspalte werden dabei durch den Abstand der Laufschaufelspitzen zu den jeweils gegenüber liegenden, den Leitschaufeln benachbarten Bereichen des Leitschaufelträgers bestimmt. Daher könnte eine adaptive Anpassung der Radialspalte durch eine Möglichkeit zur radialen Bewegung der Innenwandbauteile des Leitschaufelträgers erreicht werden. Dazu sollte in einem der jeweiligen Leitschaufelreihe benachbarten Bereich eine mit einem Druckmedium beaufschlagbare Membran, d. h. eine elastische, dehnbare Fläche angeordnet sein.Since the size of the radial gap in operation is determined by such diverse factors, therefore, an adaptation of the radial gaps should not be done by a corresponding design in the construction of the gas turbine or the Leitschaufelträgersystems, but it should be adaptive adjustment of the radial gaps during operation of the gas turbine , The radial gaps are determined by the distance between the blade tips to the respective opposite, the guide vanes adjacent areas of the guide blade carrier. Therefore, an adaptive adaptation of the radial gaps could be achieved by a possibility for radial movement of the inner wall components of the guide vane carrier. For this purpose, in a region adjacent to the respective row of guide blades, a membrane which can be acted upon by a pressure medium, i. H. be arranged an elastic, stretchable surface.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Membran dabei in einem für die Umfassung einer Laufschaufelreihe der Gasturbine bestimmten Bereich des Leitschaufelträgers angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass eine optimale Positionierung der Membran direkt an den den Laufschaufeln gegenüber liegenden Bereichen des Leitschaufelträgers erfolgt, so dass eine besonders gute Beeinflussung der Radialspalte durch eine unterschiedliche Beaufschlagung der Membran mit einem Druckmedium erreicht wird. Dadurch ist ein noch besserer Wirkungsgrad der Gasturbine erzielbar.In an advantageous embodiment, the membrane is arranged in a region of the guide blade carrier which is intended for enclosing a blade row of the gas turbine. Thereby It is ensured that an optimal positioning of the membrane takes place directly on the blades of the opposite regions of the guide blade carrier, so that a particularly good influence of the radial gaps is achieved by a different loading of the membrane with a pressure medium. As a result, an even better efficiency of the gas turbine can be achieved.
Eine besonders einfache Konstruktion einer derartigen Membran ist möglich, wenn die Membran eine Umfassungswand einer mit dem Druckmedium beaufschlagbaren Kammer bildet. Die Kammer bildet dann einen Druckraum, welcher mit dem Druckmedium in jeweils benötigter Menge beaufschlagt werden kann. Dabei sollte die Membran die jeweils der Turbinenachse zugewandte Umfassungswand der Kammer bilden. Abhängig vom Druck in der Kammer dehnt sich dann die elastische Membran als Umfassungswand der Kammer mehr oder weniger aus und beeinflusst so die Ausdehnung der Radialspalte.A particularly simple construction of such a membrane is possible if the membrane forms a peripheral wall of a chamber which can be acted upon by the pressure medium. The chamber then forms a pressure chamber, which can be acted upon by the pressure medium in each required amount. The membrane should form each of the turbine axis facing the surrounding wall of the chamber. Depending on the pressure in the chamber, the elastic membrane then expands more or less as the surrounding wall of the chamber and thus influences the extent of the radial gaps.
In bisher üblichen Gasturbinen sind in den den Leitschaufeln benachbarten Bereichen Ringsegmente angeordnet, die die innere Umfassungswand des Heißgaskanals der Gasturbine bilden und den Leitschaufelträger vor Beschädigungen durch ein Eindringen von heißem Arbeitsmedium schützen. Daher sollte in vorteilhafter Ausgestaltung die mit dem Druckmedium beaufschlagbare Kammer in einem derartigen, am Leitschaufelträger angebrachten Ringsegment angeordnet sein. Dadurch wird eine adaptive Verkleinerung der Radialspalte ermöglicht, während der Schutz des Leitschaufelträgers vor eindringendem Heißgas weiterhin gewährleistet bleibt.In hitherto customary gas turbines, ring segments are arranged in the regions adjacent to the guide vanes, which segments form the inner peripheral wall of the hot gas duct of the gas turbine and protect the guide vanes from damage due to the penetration of hot working medium. Therefore, in an advantageous embodiment, the pressurizable with the pressure medium chamber should be arranged in such, attached to the guide vane ring segment. This allows an adaptive reduction of the radial gaps, while the protection of the guide vane carrier against ingress of hot gas remains guaranteed.
Vorteilhafterweise sind in das Leitschaufelträgersystem zur Zuführung des Druckmediums zur Membran Kanäle eingebracht. Diese können beispielsweise in den Leitschaufelträger und die Ringsegmente eingebracht sein, was eine einfache Zuführung und Steuerung des Drucks auf die Membran von außen während des Betriebs der Gasturbine ermöglicht.Advantageously, channels are introduced into the guide vane carrier system for feeding the pressure medium to the membrane. These may be incorporated, for example, in the vane carrier and the ring segments, which allows easy delivery and control of the pressure on the membrane from the outside during operation of the gas turbine.
Um insbesondere die Ovalisierung des Leitschaufelträgers besonders gezielt ausgleichen zu können, sollte die radiale Ausdehnung der Membran abhängig von der Umfangsposition separat beeinflusst werden können. Dazu ist in Umfangsrichtung vorteilhafterweise eine Mehrzahl von Membranen und gegebenenfalls Kammern angeordnet, so dass eine separate Beaufschlagung der Membranen bzw. Kammern mit unterschiedlichen Drücken möglich ist. Somit kann bei einer Ovalisierung des Leitschaufelträgers gezielt in Umfangsbereichen mit größeren sich einstellenden Radialspalten ein größerer Druck auf die Membran gebracht werden, so dass über den gesamten Umfang ein gleichmäßiger, vergleichsweise kleiner Radialspalt erzielt wird.In order to be able to compensate in particular the ovalization of the guide vane carrier in a particularly targeted manner, the radial extent of the membrane should be able to be influenced separately depending on the circumferential position. For this purpose, a plurality of membranes and possibly chambers is advantageously arranged in the circumferential direction, so that a separate admission of the membranes or chambers with different pressures is possible. Thus, in the case of an ovalization of the guide blade carrier, a greater pressure can be deliberately applied to the membrane in peripheral areas with larger radial gaps that are set up so that a uniform, comparatively small radial gap is achieved over the entire circumference.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Druckmedium Natrium. Natrium weist besonders gute Wärmeübertragungseigenschaften, einen niedrigen Schmelzpunkt und gleichzeitig großen flüssigen Temperaturbereich auf und ist damit als Druckmedium besonders geeignet.In an advantageous embodiment, the pressure medium is sodium. Sodium has particularly good heat transfer properties, a low melting point and at the same time a large liquid temperature range and is thus particularly suitable as a pressure medium.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist ein derartiger Leitschaufelträger Bestandteil einer Gasturbine sowie eine derartige Gasturbine Bestandteil eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerks.In an advantageous embodiment, such a vane carrier is part of a gas turbine and such a gas turbine part of a combined cycle power plant.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Anordnung einer mit einem Druckmedium beaufschlagbaren, elastischen Membran in einem der jeweiligen Leitschaufelreihe benachbarten Bereich eines Leitschaufelträgers eine adaptive hydraulische Einstellung der Radialspalte während des Betriebs ermöglicht wird. Bei einer Beaufschlagung der Membran mit dem Druckmedium wird die Membran zur Laufschaufel hin ausgedehnt und damit der Ringdurchmesser verkleinert. Damit wird auch der Radialspalt zwischen Laufschaufel und im Gehäuse verkleinert. Damit lässt sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Gasturbine erreichen, wobei die Anpassung der Radialspalte erst im Betrieb geschieht und nicht zwingend die Auslegung bei der Konstruktion der Gasturbine beeinflusst.The advantages achieved by the invention are, in particular, that an adaptive hydraulic adjustment of the radial gaps during operation is made possible by the arrangement of an elastic membrane which can be acted upon by a pressure medium in an area of a guide blade carrier adjacent to the respective row of guide blades. When the membrane is pressurized with the pressure medium, the membrane is expanded towards the blade and thus the ring diameter is reduced. This also reduces the radial gap between the blade and the housing. This makes it possible to achieve an improvement in the efficiency of the gas turbine, with the adaptation of the radial gaps only taking place during operation and not necessarily influencing the design in the construction of the gas turbine.
Eine derartige hydraulische radiale Spaltschließung beseitigt auch die Nachteile von bisherigen Lösungen wie beispielsweise einer axialen Verschiebung der gesamten Turbinenwelle zum Verdichtereintritt hin, die durch die konische Form des Leitschaufelträgers zwar eine Verringerung der Radialspalte in der Turbine bewirkt, jedoch eine Vergrößerung der Spalte und damit eine Wirkungsgradminderung im Verdichter zur Folge hat. Die Verkleinerung der Radialspalte durch eine mit einem Druckmedium beaufschlagbare Membran ermöglicht somit eine gezielte einzelne radiale Spaltverstellung für Verdichter und Turbine und ermöglicht somit einen besonders hohen Wirkungsgrad der gesamten Gasturbine.Such a hydraulic radial gap closure also eliminates the disadvantages of previous solutions such as an axial displacement of the entire turbine shaft to the compressor inlet, which causes a reduction of the radial column in the turbine by the conical shape of the vane support, but an increase in the gap and thus a reduction in efficiency in the compressor result. The reduction of the radial gaps by a membrane which can be acted upon by a pressure medium thus enables a targeted individual radial gap adjustment for compressor and turbine and thus enables a particularly high efficiency of the entire gas turbine.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- einen perspektivischen Halbschnitt durch ein Leitschaufelsystem mit einer mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Membran im entspannten Zustand,
- FIG 2
- das Leitschaufelträgersystem mit der Membran im Spannungszustand,
- FIG 3
- das Leitschaufelträgersystem aus
FIG 1 in anderer Perspektive, - FIG 4
- das Leitschaufelträgersystem aus
FIG 2 in anderer Perspektive, und - FIG 5
- einen Längsteilschnitt durch eine Gasturbine.
- FIG. 1
- a perspective half section through a guide vane system with a pressure medium can be acted upon membrane in the relaxed state,
- FIG. 2
- the vane carrier system with the membrane in tension,
- FIG. 3
- the vane carrier system
FIG. 1 in a different perspective, - FIG. 4
- the vane carrier system
FIG. 2 in a different perspective, and - FIG. 5
- a longitudinal section through a gas turbine.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference numerals in all figures.
Um den Wirkungsgrad der Gasturbine besonders groß zu halten, sollte der Radialspalt 10 zwischen den Spitzen 12 der Leitschaufeln 8 und der Innenwand 4 möglichst gering gehalten werden.In order to keep the efficiency of the gas turbine particularly large, the
Dazu ist in das Ringsegment 2 eine Anzahl von Kammern 14 eingebracht, deren der Turbinenachse zugewandte Umfassungswand aus einer Membran 16 gebildet ist. Die Membran 16 ist in der
Je nach Größe des Druckes des Druckmediums wird dabei die Membran 16 in einen Spannungszustand versetzt, wie in
In Umfangsrichtung ist dabei eine Mehrzahl separater Kammern 14 und Membranen 16 vorgesehen, die es ermöglicht, je nach Umfangsposition unterschiedliche Drücke auf die Kammern 14 aufzubringen, um die radiale Ausdehnung der jeweiligen Membran 16 separat zu steuern. Dadurch lässt sich insbesondere eine Ovalisierung der Ringsegmente 2, verursacht durch eine thermische Verformung des Leitschaufelträgers ausgleichen.In the circumferential direction, a plurality of
Das gezeigte Leitschaufelträgersystem 1 mit dem Ringsegment 2 kann dabei sowohl innerhalb der Turbine einer Gasturbine als auch im Verdichter zum Einsatz kommen. Die
Eine Gasturbine 101, wie in
Die Turbineneinheit 106 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 108 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 6 auf. Die Laufschaufeln 6 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 106 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 114, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Leitschaufelträger 116 der Turbineneinheit 106 befestigt sind. Die Laufschaufeln 6 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 114 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 114 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 6 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The
Jede Leitschaufel 114 weist eine Plattform 118 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 114 an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 118 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbineneinheit 106 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 112 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 119 an der Turbinenwelle 108 befestigt.Each
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 118 der Leitschaufeln 114 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Ringsegment 2 an einem Leitschaufelträger 116 der Turbineneinheit 106 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Ringsegments 2 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 6 durch den Radialspalt 10 beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Ringsegmente 2 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse im Leitschaufelträger 1 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 106 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.Between the spaced-
Die Brennkammer 104 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 108 herum angeordneten Brennern 110 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 104 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.The
Durch die Verwendung eines Leitschaufelträgersystems 1 der oben angegebenen Ausgestaltung in einer Gasturbine 101 kann ein besonders hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher betrieblicher Sicherheit und Lebensdauer erreicht werden. Durch die hydraulische Radialspaltoptimierung können die Radialspalte 10 sowohl im Verdichter 102 als auch in der Turbineneinheit 106 der Gasturbine 101 in jedem Betriebszustand separat optimiert werden.By using a vane support system 1 of the above-mentioned embodiment in a
Claims (9)
insbesondere für eine Gasturbine (101),
mit einer Anzahl von zu Leitschaufelreihen zusammengefassten, an einem Leitschaufelträger (116) befestigten Leitschaufeln (114),
wobei in einem der jeweiligen Leitschaufelreihe benachbarten Bereich eine mit einem Druckmedium beaufschlagbare Membran (16) angeordnet ist.Guide vane system (1),
in particular for a gas turbine (101),
comprising a number of vanes (114), joined to a vane support (116) and combined into vane rows;
wherein in a region of the respective row of guide blades adjacent a pressurizable with a pressure medium membrane (16) is arranged.
bei dem die Membran (16) in einem für die Umfassung einer Laufschaufelreihe der Gasturbine (101) bestimmten Bereich des Leitschaufelträgers (116) angeordnet ist.Guide vane carrier system (1) according to claim 1,
in which the membrane (16) is arranged in a region of the guide blade carrier (116) intended for enclosing a row of blades of the gas turbine (101).
bei dem die Membran (16) die der Turbinenachse (109) zugewandte Umfassungswand einer mit dem Druckmedium beaufschlagbaren Kammer (14) bildet.Guide vane carrier system (1) according to claim 1 or 2,
in which the membrane (16) forms the surrounding wall of the turbine axis (109) of a chamber (14) which can be acted upon by the pressure medium.
bei dem die Kammer (14) in einem am Leitschaufelträger (116) angebrachten Ringsegment (2) angeordnet ist.Guide vane carrier system (1) according to claim 3,
in which the chamber (14) is arranged in a ring segment (2) attached to the guide blade carrier (116).
bei dem in das Leitschaufelträgersystem (1) Kanäle (18) zur Zuführung des Druckmediums zur Membran (16) eingebracht sind.Guide vane carrier system (1) according to one of claims 1 to 4,
in which channels (18) for feeding the pressure medium to the membrane (16) are introduced into the guide vane carrier system (1).
bei dem in Umfangsrichtung eine Mehrzahl von Membranen (16) und gegebenenfalls Kammern (14) angeordnet ist.Guide vane carrier system (1) according to one of claims 1 to 5,
in which in the circumferential direction a plurality of membranes (16) and optionally chambers (14) is arranged.
bei dem das Druckmedium Natrium ist.Guide vane carrier system (1) according to one of claims 1 to 6,
where the pressure medium is sodium.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP09002137A EP2218880A1 (en) | 2009-02-16 | 2009-02-16 | Active clearance control for gas turbines |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP09002137A EP2218880A1 (en) | 2009-02-16 | 2009-02-16 | Active clearance control for gas turbines |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP2218880A1 true EP2218880A1 (en) | 2010-08-18 |
Family
ID=41050314
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP09002137A Withdrawn EP2218880A1 (en) | 2009-02-16 | 2009-02-16 | Active clearance control for gas turbines |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2218880A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9039346B2 (en) | 2011-10-17 | 2015-05-26 | General Electric Company | Rotor support thermal control system |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2458676A1 (en) * | 1979-06-06 | 1981-01-02 | Mtu Muenchen Gmbh | SEALING DEVICE FOR THE PERIPHERAL INTERVAL OF AN AXIAL FLUX TURBOMACHINE |
GB2050527A (en) * | 1979-05-29 | 1981-01-07 | Gen Motors Corp | Turbine blade tip seal assembly |
US4419044A (en) * | 1980-12-18 | 1983-12-06 | Rolls-Royce Limited | Gas turbine engine |
GB2195715A (en) * | 1986-10-08 | 1988-04-13 | Rolls Royce Plc | Rotor blade tip-shroud |
US5022817A (en) * | 1989-09-12 | 1991-06-11 | Allied-Signal Inc. | Thermostatic control of turbine cooling air |
US5344284A (en) * | 1993-03-29 | 1994-09-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Adjustable clearance control for rotor blade tips in a gas turbine engine |
DE102006052786A1 (en) * | 2006-11-09 | 2008-05-15 | Mtu Aero Engines Gmbh | turbomachinery |
-
2009
- 2009-02-16 EP EP09002137A patent/EP2218880A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2050527A (en) * | 1979-05-29 | 1981-01-07 | Gen Motors Corp | Turbine blade tip seal assembly |
FR2458676A1 (en) * | 1979-06-06 | 1981-01-02 | Mtu Muenchen Gmbh | SEALING DEVICE FOR THE PERIPHERAL INTERVAL OF AN AXIAL FLUX TURBOMACHINE |
US4419044A (en) * | 1980-12-18 | 1983-12-06 | Rolls-Royce Limited | Gas turbine engine |
GB2195715A (en) * | 1986-10-08 | 1988-04-13 | Rolls Royce Plc | Rotor blade tip-shroud |
US5022817A (en) * | 1989-09-12 | 1991-06-11 | Allied-Signal Inc. | Thermostatic control of turbine cooling air |
US5344284A (en) * | 1993-03-29 | 1994-09-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Adjustable clearance control for rotor blade tips in a gas turbine engine |
DE102006052786A1 (en) * | 2006-11-09 | 2008-05-15 | Mtu Aero Engines Gmbh | turbomachinery |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9039346B2 (en) | 2011-10-17 | 2015-05-26 | General Electric Company | Rotor support thermal control system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2342427B1 (en) | Axial segmented vane support for a gas turbine | |
EP0991850B1 (en) | Internally cooled steam turbine shaft and method for cooling the same | |
EP2450531B1 (en) | Cooling of an axial compressor | |
EP1947293B1 (en) | Guide vane for a gas turbine | |
EP2596213B1 (en) | Steam turbine with an internal cooling | |
EP2342425B1 (en) | Gas turbine with securing plate between blade base and disk | |
EP2344723B1 (en) | Gas turbine with seal plates on the turbine disk | |
EP1724526A1 (en) | Shell for a Combustion Chamber, Gas Turbine and Method for Powering up and down a Gas Turbine. | |
DE112014004725T5 (en) | gas turbine | |
EP2347101B1 (en) | Gas turbine and corresponding gas or steam turbine plant | |
EP2236759A1 (en) | Rotor blade system | |
EP2206885A1 (en) | Gas turbine | |
EP2098688A1 (en) | Gas turbine | |
EP1731715A1 (en) | Transition between a combustion chamber and a turbine | |
EP2347100B1 (en) | Gas turbine having cooling insert | |
EP2218880A1 (en) | Active clearance control for gas turbines | |
DE102012209549A1 (en) | Coolant bypass line for a gas turbine | |
EP1783325B1 (en) | Fastening arrangement of a pipe on a peripheral surface | |
EP2218882A1 (en) | Stator vane carrier system | |
DE102006010863B4 (en) | Turbomachine, in particular compressor | |
WO2010083805A1 (en) | Turbomachine | |
EP2447543A1 (en) | Axial compressor and method for operating same | |
EP2194236A1 (en) | Turbine casing | |
EP2093399A1 (en) | Gas turbine comprising exhaust cooling | |
EP2184449A1 (en) | Guide vane support, gas turbine and gas or steam turbine engine with such a guide vane support |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012 |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR |
|
AX | Request for extension of the european patent |
Extension state: AL BA RS |
|
AKY | No designation fees paid | ||
STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN |
|
18D | Application deemed to be withdrawn |
Effective date: 20110219 |