EP2453109B1 - Gasturbinenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanordnung - Google Patents

Gasturbinenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanordnung Download PDF

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EP2453109B1
EP2453109B1 EP11186258.7A EP11186258A EP2453109B1 EP 2453109 B1 EP2453109 B1 EP 2453109B1 EP 11186258 A EP11186258 A EP 11186258A EP 2453109 B1 EP2453109 B1 EP 2453109B1
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EP
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annulus
rotor unit
stationary component
gas turbine
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Ulrich Robert Steiger
Sascha Justl
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General Electric Technology GmbH
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Alstom Technology AG
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/97—Reducing windage losses

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine arrangement having an annular space which is bounded axially between a rotor unit rotatable about a rotor axis and at least one stationary component and in which a plurality of coolant outlet openings open from the side of the at least one stationary component, from which in each case a coolant flow, usually in the form of cooling air, can be discharged into the annulus.
  • coolant flow are within the rotor unit coolant inlet openings into which passes at least a portion of the coolant flow, which is followed by at thedeffeneinströmötechnischen within the rotor unit adjacent coolant lines to thermally stressed areas of the rotor unit or with the Rotor unit connected components is passed.
  • a generic gas turbine arrangement is the DE 1221497 and the US 4,348,157 can be seen in which used for cooling the mounted on the rotor unit rotor blades cooling air is used, which is supplied via extending within stationary components of the gas turbine engine cooling channels and impinges on correspondingly arranged cooling channel openings on the rotor unit. Corresponding cooling air inlet openings are likewise provided on the rotor side, into which at least part of the supplied cooling air flows. The transfer of the cooling air from the stationary component side into the rotating rotor unit takes place within an annular space which is bounded on the one hand axially to the rotor axis of the rotor unit and the stationary component.
  • the high swirl content of the purge gas flow also contributes to reducing the static pressure within the annulus, which in turn reduces the cooling effect of the cooling air flow in the rotor unit and the associated blades is weakened.
  • a stator assembly of a turbomachine that includes sealing disks that cooperate with sealing elements on an adjacent rotor assembly.
  • a sealing arrangement for a seal between a rotating and stationary part in which a rotating sealing arm has bores through which a leakage due to the back pressure on the rotating arm is fed back against the pressure gradient.
  • the invention is based on the object of a gas turbine arrangement and a method for operating a gas turbine arrangement with a rotatable about a rotor axis rotor unit and at least one stationary component axially limited annular space in which open from the at least one stationary component a plurality of coolant outlet openings, from which in each case a coolant flow, preferably in the form of a cooling air flow, can be brought into the annular space, which at least partially passes into coolant inlet openings, which are provided in the flow direction of the coolant flow propagating through the annular space in the rotor unit, and at least one radially to the annular space, of the rotor unit and at least one stationary component limited cavity, which is pressurized with a purge gas and fluidly connected to the annulus, so educate, that in the annulus system inherent purge gas flow has a negligible disturbance low on the annulus largely axially passing coolant flow.
  • a gas turbine arrangement having the features of the preamble of claim 1 is formed in that the at least one stationary component and the rotor unit include a gap space through which the at least one cavity is separated from the radially outer annular space and via which the at least one cavity with the radially outer annular space is fluidly connected, and that protrude into the gap space on one side of the at least one stationary component fixed flow guide.
  • the formation and arrangement of the flow-guiding along the at least one stationary component are made such that the pressurized purge gas passes through the gap in the direction of the annular space due to a pressure gradient existing between the at least one cavity and the annulus in the form of a purge gas flow, so that the purge gas upon passage through the gap, a largely vortex-free flow characteristic is impressed, ie, that of the purge gas flow Passage through the gap in the annulus inherent Strömungsdrallanteil is considerably smaller than the initial flow swirl of the purge gas before passing through the gap, ie within the at least one cavity.
  • the aim is to reduce the swirl, which is imparted to the purge gas stream in the cavity by rotation of the rotor unit in the direction of rotation of the rotor unit.
  • purge gas flow will flow without swirl about the rotor axis from the gap space into the annulus. It is desirable to smooth out as far as possible the purging gas flow strongly swirling on the cavity side as it passes through the gap, ie, ideally, the purging gas flow should pass the annulus free of eddies, ie in the form of a laminar flow.
  • a vortex-free or vortex-free purge gas flow passing through the annulus has, on the one hand, a low disruption potential for the largely axially directed cooling air flow, and on the other hand, the static pressure inside the annulus is not adversely affected.
  • the at least one cavity adjoins the annular space directly or indirectly radially to the rotor axis via a gap-shaped constriction.
  • stationary components of the gas turbine assembly includes the gap-shaped constriction between the rotor unit and the at least one stationary component an annular gap-shaped gap through which a purge gas flow due to a between the at least one cavity and the annular space existing radial pressure gradient forms.
  • a plurality of individual flow directing means is provided, which extend into the gap space without coming into contact with the rotor unit.
  • the in the ring circumferential direction, preferably with equidistant distance attached flow guide each limit in pairs a flow area, the flow path for the out of the at least one Cavity leaking purge gas determined in the direction of the radially outer annular space.
  • the flow guide means are formed in the form and shape of vanes having a blade profile curved in the axial direction.
  • An axially curved blade profile forms at its upstream end (inflow edge) an entry angle between the profile and rotor axis, which in the direction of rotation of the rotor and at its downstream end (discharge edge) an exit angle between the profile and rotor axis, which is smaller than the entry angle.
  • the exit angle is zero.
  • the angle may even point against the circumferential direction of the rotor rotation to produce a slight counter-rotation. This can be advantageous, for example, to obtain a total swirl-free flow after mixing with the part of the scavenging air, which does not flow through between the blade profiles, but flows through in the gap between the profile end and the rotor unit.
  • the flow-guiding means are variably adjustable around at least one spatial axis.
  • Fig. 1a shows a longitudinal section through a portion of a gas turbine plant, which schematically shows a portion of the rotor unit 2, which is rotatably arranged about the rotor axis A. It is assumed that the in 1a illustrated rotor unit 2 corresponds to one of the first turbine blade row assignable rotor disk, at the peripheral edge of the turbine blades T are arranged.
  • the rotor unit 2 axially opposite a stationary component 1 is provided, on whose surface facing the rotor unit 2 a plurality of individual coolant outlet openings 4 is provided, from the cooling air K, usually in the form of a suitably predetermined Draliströmung, in between the rotor unit 2 and the stationary component 1 on both sides limited annular space 5 is discharged.
  • a cooling air reservoir is introduced, which is supplied via a cooling air system with cooling air.
  • a corresponding nozzle arrangement within the respective cooling air outlet openings 4 provides a flow twist along the inflowing into the annulus 5 cooling air flow K.
  • the respective cooling air outlet openings 4 are arranged so that the cooling air is swirl-free, i. is introduced axially into the annular space 5.
  • the swirl of the cooling air K and scavenging air K is the same when they are mixed in order to minimize the mixing losses.
  • the illustrated annular space 5 is at least partially closed off by platform ends of a series of guide vanes L.
  • cooling air flow K passes through rotor provided on the coolant inlet openings 3 in the interior of the rotor unit 2, in the corresponding cooling lines (not shown) are provided, which forward the absorbed cooling air K preferably in the areas of the turbine blades T.
  • purge gas For a replacement of the introduced in the cavity 7 purge gas usually enters a part of the purge gas in the form of a purge gas flow S through a between the rotor unit 2 and the stationary component 1 on both sides limited gap space 6 in the annular space 5, the purge gas flow S substantially transversely to the cooling air flow K passes radially outward and ultimately the hot gases H is mixed in the working channel of the gas turbine arrangement.
  • the purge gas flow S substantially transversely to the cooling air flow K passes radially outward and ultimately the hot gases H is mixed in the working channel of the gas turbine arrangement.
  • it may also come to a slight end-ring of hot gas in the annulus.
  • transient operation of the gas turbine may cause the flow-guiding means 8 to rub against the rotor unit 2.
  • an abrasive edge a cutting edge or equivalent means may be provided at the free end of the flow directing means 8.
  • honeycombs or an abrasion layer on the corresponding rubbing surface of the rotor unit 2 is possible.
  • FIG. 1b is an illustration with an axial view of the gap space 6 (section AA of FIG. 1 a) shown limited between the stationary component 1 and the rotor unit 2.
  • flow-guiding means 8 Fixed to the stationary component 1, respectively, flow-guiding means 8 are connected on one side, which project into the gap 6 and thus the gap space 6 in a plurality of between the flow-guiding limited flow areas D divided.
  • the individual flow guiding means 8, which are preferably designed in the form of small guide vanes, have at their free end, which faces the rotor unit 2, in each case a shroud 8 ', which encloses a narrow gap 6' with the rotor unit 2.
  • the gap width of the narrow gap 6 ' should be less than half the gap width d of the gap space 6.
  • the narrow gap 6 ' should be set so low, so that as possible no flow components of the purge gas flow S can pass through the between the shrouds 8' of the flow guide 8 and the rotor unit 2.
  • the flow areas D between each adjacently arranged Strömungsleitsch 8 serve as forced flow paths, along which the purge gas flow S smoothed, homogenized or is made uniform, so that flows downstream of the flow guide 8 a largely vortex-free and in a uniform flow direction propagating purge gas flow into the annulus 5.
  • Fig. 1c shows a radially outwardly oriented view of the profile of the respective flow guide 8 (section BB).
  • the individual flow-guiding means 8 likewise include curved flow-through regions D, which are curved in the axial direction so that they flow through the purge gas flow.
  • the shape and design of the Strömungsleitsch can be adjusted individually depending on the aerodynamic Spülgas characterizing within the cavity 7 and is not limited to the formation as a vane-like profile shapes.
  • Fig. 1d is a representation of a second embodiment with axial viewing direction of the gap space 6 (section AA) shown. This differs from the one in Fig. 1b in order to minimize the leakage through the narrow gap 6 ', a seal 9 is mounted on the shroud 8 ". This may be at least one sealing strip of a labyrinth seal or, for example, a brush seal. Similarly, the seal may also be attached to the rotor unit 2.
  • the flow directors 8 are assembled as segments with the closed shroud 8 ", for example, a plurality of flow directors 8 are provided as a circular section with the shroud 8" closed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanordnung mit einem Ringraum, der zwischen einer um eine Rotorachse drehbaren Rotoreinheit und wenigstens einer stationären Komponente axialwärts begrenzt ist und in den von Seiten der wenigstens einen stationären Komponente eine Vielzahl von Kühlmittelaustrittsöffnungen münden, aus denen jeweils eine Kühlmittelströmung, zumeist in Form von Kühlluft, in den Ringraum ausbringbar ist. In Strömungsrichtung der sich durch den Ringraum von Seiten der Kühlmittelaustrittsöffnungen ausbreitenden Kühlmittelströmung befinden sich innerhalb der Rotoreinheit Kühlmitteleintrittsöffnungen, in die wenigstens ein Teil der Kühlmittelströmung gelangt, die durch sich an den Kühlmitteleinströmöffnungen innerhalb der Rotoreinheit anschließenden Kühlmittelleitungen an thermisch belastete Bereiche der Rotoreinheit oder an mit der Rotoreinheit verbundene Komponenten geleitet wird.
    • Stand der Technik
  • Eine gattungsgemäße Gasturbinenanordnung ist der DE 1221497 und der US 4,348,157 zu entnehmen, bei der zur Kühlung der an der Rotoreinheit angebrachten Rotorschaufeln Kühlluft benutzt wird, die über innerhalb stationärer Komponenten der Gasturbinenanordnung verlaufenden Kühlkanälen zugeführt wird und über entsprechend angeordnete Kühlkanalöffnungen auf die Rotoreinheit auftrifft. Rotorseitig sind ebenfalls entsprechende Kühllufteintrittsöffnungen vorgesehen, in die zumindest ein Teil der zugeführten Kühlluft einströmt. Die Übertragung der Kühlluft von Seiten der stationären Komponente in die sich drehende Rotoreinheit erfolgt innerhalb eines Ringraumes, der einerseits axial zur Rotorachse von der Rotoreinheit und der stationären Komponente begrenzt ist Radial nach innen schliesst sich ein weiterer, innen liegender Ringraum an, in den Spülgas eingebracht ist, um Rotorwellen nahe Komponenten der Rotoreinheit vor reibungsbedingten Überhitzungen zu bewahren. Betriebsbedingt ist das die Rotorwelle unmittelbar umgebende Spülgas sehr stark verwirbelt und bildet innerhalb des Hohlraumes eine stark ausgeprägte Drallströmung aus. Die Druckverhältnisse in den jeweiligen Bereichen der Gasturbine nehmen mit zunehmendem radialen Wellenabstand ab, d.h. das rotorwellenseitig vorhandene Spülgas steht unter einem höheren Druck verglichen zu den Druckverhältnissen innerhalb des Ringraumes, die wiederum über den Arbeitsdruckverhältnissen innerhalb des Heißgaskanals liegen.
  • Es tritt eine radial gerichtete Leckageströmung auf, die von der Innenseite, d.h. von Seiten des rotorwellennahen Hohlraumes durch die radial innere Ringdichtungsanordnung in den Ringraum und von diesem durch die radial äußere Ringdichtungsanordnung in den Hauptgaskanal gerichtet ist. Es zeigt sich dabei, dass die den Ringraum radial durchsetzende Leckageströmung die dort zu Kühlzwecken der Rotoreinheit vorhandene Kühlluftströmung, deren Strömungsrichtung vorwiegend axial orientiert ist, erheblich zu irritieren vermag, wodurch sich der in die Kühlmitteleintrittsöffnungen gelangende Anteil der Kühlluftströmung reduziert und sich die Kühlwirkung sowie die damit verbundene Effizienz der gesamten Turbinenanordnung deutlich verschlechtert.
    Die Kühlluft tritt nur mit den erforderlichen Druck in die Turbinenschaufel ein, wenn sie auf mit der vorgesehen Strömungsrichtung auftrifft. Je gleichförmiger die Anströmung zum Eintritt in den Schaufelfuss ist, desto günstiger und effizienter ist die Anordnung.
  • In der vorstehend zitierten Druckschrift wird hierzu vorgeschlagen, rotorseitig eine Ablenkvorrichtung zwischen den radial sich gegenüberliegenden Ringdichtungsanordnungen vorzusehen, die die Leckageströmung in radial verlaufende Kanäle zwingt, so dass ein Strömungsweg für die Leckageströmung zwischen der radial inneren und äußeren Ringdichtungsanordnung an den jeweiligen Kühlkanalöffnungen vorbei geschaffen wird.
  • Abgesehen von der vorstehend geschilderten Eigenschaft von nicht vollständig gasdichten Ringdichtungsanordnungen, durch die sich eine Leckageströmung ausbildet, gilt es für einen kontrollierten Austausch des zwischen den rotierenden und stationären Anlagenkomponenten eingebrachten Spülgases zu sorgen. Zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Austausches an Spülgas gilt es dieses zumindest anteilsmäßig über entsprechende Verbindungskanäle bzw. leckagebedingte Ringdichtungsanordnungen radial nach außen, zumeist in den Arbeitskanal der jeweiligen Strömungsrotationsmaschine auszutragen. Im Falle einer Turbinenstufe gelangt somit das Spülgas durch entsprechenden Zwischenspalte in den Heißgaskanal, in dem sich das Spülgas mit den Heißgasen vermischt.
  • Neben der bereits erläuterten Strömungsirritation, die die Leckagebedingte Spülgasströmung auf die weitgehend axial den Ringraum passierenden Kühlluftströmung ausübt, trägt überdies der hohe Wirbelanteil der Spülgasströmung dazu bei, dass der statische Druck innerhalb des Ringraumes reduziert wird, wodurch wiederum die Kühlwirkung der Kühlluftströmung im Bereich der Rotoreinheit und den damit verbundenen Laufschaufeln geschwächt wird.
  • Aus der GB2081392 ist eine Statoranordnung einer Turbomaschine bekannt, die Dichtscheiben umfasst, die mit Dichtelementen auf einer benachbarten Rotoranordnung zusammenwirkt.
  • Aus der GB2251040 ist weiter eine Dichtungsanordnung für eine Dichtung zwischen einem rotierenden und stationären Teil bekannt, in dem ein rotierenden Dichtarm Bohrungen aufweist, durch die eine Leckage infolge des Staudruckes am rotierenden Arm gegen das Druckgefälle zurückgefördert wird.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Gasturbinenanordnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanordnung mit einem zwischen einer um eine Rotorachse drehbaren Rotoreinheit und wenigstens einer stationären Komponente axial begrenzten Ringraum, in den von Seiten der wenigstens einen stationären Komponente eine Vielzahl von Kühlmittelaustrittsöffnungen münden, aus denen jeweils eine Kühlmittelströmung, vorzugsweise in Form einer Kühlluftströmung, in den Ringraum ausbringbar ist, die zumindest anteilig in Kühlmitteleintrittsöffnungen gelangt, die in Strömungsrichtung der sich durch den Ringraum ausbreitenden Kühlmittelströmung in der Rotoreinheit vorgesehen sind, sowie wenigstens einem radial zum Ringraum inneren, von der Rotoreinheit und wenigstens einer stationären Komponente begrenzten Hohlraum, der mit einem Spülgas druckbeaufschlagt und mit dem Ringraum fluidisch verbunden ist, derart weiterzubilden, dass eine in den Ringraum systembedingt gelangende Spülgasströmung einen möglichst vernachlässigbar geringen Störeinfluss auf die den Ringraum weitgehend axial passierende Kühlmittelströmung besitzt. Insbesondere gilt es Massnahmen zu treffen, durch die die Druckverhältnisse innerhalb des Ringraumes möglichst unbeeinflusst bleiben, trotz einer in den Ringraum eintretenden Spülgasströmung.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein lösungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanordnung ist im Anspruch 10 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
  • Lösungsgemäß ist eine Gasturbinenanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch ausgebildet, dass die wenigstens eine stationäre Komponente und die Rotoreinheit einen Spaltraum einschließen, durch den der wenigstens eine Hohlraum gegenüber dem radial äusseren Ringraum getrennt und über den der wenigstens eine Hohlraum mit dem radial äusseren Ringraum fluidisch verbunden ist, und dass in den Spaltraum einseitig an der wenigstens einen stationären Komponente befestigte Strömungsleitmittel hineinragen.
  • Die Ausbildung und Anordnung der Strömungsleitmittel längs der wenigstens einen stationären Komponente werden dabei derart vorgenommen, dass das druckbeaufschlagte Spülgas aufgrund eines zwischen dem wenigstens einen Hohlraum und dem Ringraum bestehenden Druckgefälles in Form eines Spülgasstromes durch den Spaltraum in Richtung des Ringraumes tritt, so dass dem Spülgasstrom bei Durchtritt durch den Spaltraum eine weitgehend wirbelfreie Strömungscharakteristik eingeprägt wird, d.h. der der Spülgasströmung nach Durchtritt durch den Spaltraum in den Ringraum innewohnende Strömungsdrallanteil ist erheblich kleiner als der Initiale Strömungsdrall des Spülgases vor Durchtritt durch den Spaltraum, d.h. innerhalb des wenigstens einen Hohlraumes. Ziel ist es den Drall, der dem Spülgasstrom in dem Hohlraum durch Drehung der Rotoreinheit in Drehrichtung der Rotoreinheit aufgeprägt wird, zu reduzieren. In einer Ausführungsform wird Spülgasstrom ohne Drall um die Rotorachse aus dem Spaltraum in den Ringraum einströmen. Anzustreben ist eine möglichst vollständige Glättung der Hohlraumseitig stark verwirbelten Spülgasströmung bei Durchtritt durch den Spaltraum, d.h. idealerweise sollte die Spülgasströmung wirbelfrei, d.h. in Form einer Laminarströmung, den Ringraum passieren. Eine den Ringraum durchsetzende wirbelarme bzw. wirbelfreie Spülgasströmung besitzt zum einen ein geringes Störungspotential für die weitgehend axial gerichtete Kühlluftströmung, zum anderen wird hierdurch der statische Druck innerhalb des Ringraumes nicht nachhaltig beeinträchtigt.
  • Um für einen kontrollierten Abfluss des in dem wenigstens einen Rotorachsennahen Hohlraum befindliche Spülgases zu sorgen, grenzt der wenigstens eine Hohlraum mittel- oder unmittelbar radial zur Rotorachse nach aussen über eine spaltförmige Verengung an den Ringraum an. Aufgrund der weitgehend achssymmetrischen Ausbildung der Rotoreinheit sowie der zur Rotoreinheit unmittelbar benachbart angeordneten, stationären Komponenten der Gasturbinenanordnung schließt die spaltförmige Verengung zwischen der Rotoreinheit und der wenigstens einen stationären Komponente einen ringspaltförmig ausgebildeten Spaltraum ein, durch den sich eine Spülgasströmung aufgrund eines zwischen dem wenigstens einen Hohlraum und dem Ringraum bestehenden radialen Druckgefälles ausbildet.
  • In Ringumfangsrichtung ist zu Seiten der stationären Komponente, die einseitig den Spaltraum begrenzt, eine Vielzahl einzelner Strömungsleitmittel angebracht, die sich in den Spaltraum hinein erstrecken, ohne dabei in Berührung mit der Rotoreinheit zu treten. Die in Ringumfangsrichtung vorzugsweise mit jeweils äquidistantem Abstand angebrachten Strömungsleitmittel begrenzen jeweils paarweise einen Durchströmungsbereich, der den Strömungsweg für das aus dem wenigstens einen Hohlraum austretende Spülgas in Richtung des radial außen liegenden Ringraumes bestimmt. Zur Anordnung und Ausbildung der einzelnen Strömungsleitmittel gilt es, die Maxime zu berücksichtigen, dass das innerhalb des Hohlraumes stark verwirbelte Spülgas nach Durchtritt durch die von den Strömungsleitmitteln begrenzten Durchströmungsbereiche möglichst in Form einer wirbelreduzierten, vorzugsweise wirbelfreien Spülgasströmung den Ringraum im Weiteren radial nach außen passiert. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strömungsleitmittel in Art und Form von Leitschaufeln ausgebildet, die ein in Axialrichtung gekrümmtes Schaufelprofil aufweisen. Ein in Axialrichtung gekrümmtes Schaufelprofil bildet an seinem stromauf gelegenen Ende (Einströmkante) einen Eintrittswinkel zwischen Profil und Rotorachse, der in Drehrichtung des Rotors weißt und an seinem stromab gelegenen Ende (Ausströmkante) einen Austrittswinkel zwischen Profil und Rotorachse, der kleiner als der Eintrittswinkel ist. Typischerweise ist der Austrittswinkel Null. Der Winkel kann sogar gegen die Umfangsrichtung der Rotordrehung weisen, um einen leichten Gegendrall zu erzeugen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, um nach der Mischung mit dem Teil der Spülluft, die nicht zwischen den Schaufelprofielen durchströmt, sondern in dem Spalt zwischen Profilende und Rotoreinheit durchströmt, eine insgesamt drallfreie Strömung zu erhalten.
  • Gemäss einer Ausführungsform sind die Strömungsleitmittel um wenigstens eine Raumachse variabel justierbar.
  • Selbstverständlich sind auch hiervon abweichende Strömungsleitmittel denkbar, beispielsweise in Form geradlinig ausgebildeter strömungsstabiler Rippen, die gleichsam zu den vorstehenden Erläuterungen jeweils mit äquidistantem Abstand zueinander in Umfangsrichtung verteilt mit der wenigstens einen stationären Komponente fest verbunden sind und einseitig frei endend in den Spaltraum hinein ragen.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1a
    Längsschnitt durch eine schematisierte Darstellung des zwischen Rotoreinheit und stationärer Komponente begrenzten Spaltraums,
    Fig. 1b
    schematisierte Anordnung von Strömungsleitmitteln an der stationären Komponente in axialer Sichtweise,
    Fig. 1c
    mit der stationären Komponente verbundene Strömungsleitmittel in radialer, nach außen orientierter Sichtweise, sowie
    Fig. 1 d
    schematisierte Anordnung von Strömungsleitmitteln an der stationären Komponente in axialer Sichtweise.
    Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • Fig. 1a zeigt einen Längsschnitt durch einen Teilbereich einer Gasturbinenanlage, der schematisiert einen Teilbereich der Rotoreinheit 2 zeigt, die drehbar um die Rotorachse A angeordnet ist. Es sei angenommen, dass die in Fig.1a illustrierte Rotoreinheit 2 einer der ersten Turbinenlaufschaufelreihe zuordenbare Rotorscheibe entspricht, an deren Umfangsrand die Turbinenlaufschaufeln T angeordnet sind.
  • Der Rotoreinheit 2 axial gegenüberliegend ist eine stationäre Komponente 1 vorgesehen, an deren der Rotoreinheit 2 zugewandten Oberfläche eine Vielzahl einzelner Kühlmittelaustrittsöffnungen 4 vorgesehen ist, aus der Kühlluft K, zumeist in Form einer geeignet vorgegebenen Draliströmung, in den zwischen der Rotoreinheit 2 und der stationären Komponente 1 beidseitig begrenzten Ringraum 5 ausgetragen wird. Innerhalb der stationären Komponente 1 ist ein Kühlluftreservoir eingebracht, das über ein Kühlluftsystem mit Kühlluft versorgt wird. Eine entsprechende Düsenanordnung innerhalb der jeweiligen Kühlluftaustrittsöffnungen 4 sorgt für einen Strömungsdrall längs der in den Ringraum 5 einströmenden Kühlluftströmung K.
  • Je nach Ausführung der Kühlmitteleintrittsöffnung kann es vorteilhaft sein die Kühlluft K drallfrei in den Ringraum 5 einzuleiten. In diesem Fall sind die jeweiligen Kühlluftaustrittsöffnungen 4 so angeordnet, dass die Kühlluft drallfrei, d.h. axial in den Ringraum 5 eingeleitet wird.
  • Bevorzugt ist der Drall der Kühlluft K und Spülluft K bei deren Vermischung gleich, um die Mischungsverluste zu minimieren.
  • Radial nach aussen, dass heisst zum dem die Heissgase H führenden Heissgaskanal, wird der dargestellte Ringraum 5 durch Plattformenenden einer Reihe von Leitschaufeln L zumindest teilweise abgeschlossen.
  • Ein Teil des in den Ringraum 5 eingebrachten Kühlluftstromes K gelangt über rotorseitig vorgesehene Kühlmitteleintrittsöffnungen 3 in das Innere der Rotoreinheit 2, in der entsprechende Kühlleitungen (nicht dargestellt) vorgesehen sind, die die aufgenommene Kühlluft K bevorzugt in die Bereiche der Turbinenlaufschaufeln T weiterleiten. Für eine effektive Kühlung der Rotoreinheit 2 und insbesondere der Turbinenlaufschaufeln T gilt es, die Druck- und Strömungsverhältnisse innerhalb des Ringraumes 5 möglichst nicht zu beeinträchtigen, so dass gewährleistet ist, dass genügend viel Kühlluft K von der stationären Komponente 1 über den Ringraum 5 in die Rotoreinheit 2 gelangen kann.
  • Demgegenüber schließen Rotoreinheit 2 und die stationäre Komponente 1 sowie gegebenenfalls weitere stationäre Komponenten 1* einen rotorachsennahen Hohlraum 7 ein, der mit Spülgas gefüllt ist, um radial innen liegende Rotorbereiche sowie angrenzende stationäre Komponenten vor Überhitzungen zu schützen.
  • Für einen Austausch des im Hohlraum 7 eingebrachten Spülgases tritt für gewöhnlich ein Teil des Spülgases in Form eines Spülgasstromes S durch einen zwischen der Rotoreinheit 2 und der stationären Komponente 1 beidseitig begrenzten Spaltraum 6 in den Ringraum 5, den der Spülgasstrom S im Wesentlichen quer zum Kühlluftstrom K radial nach außen durchsetzt und letztlich den Heißgasen H im Arbeitskanal der Gasturbinenanordnung beigemischt wird. Je nach Wahl der Druckverhältnisse zwischen Ringraum und Heissgaskanal kann es auch zu einem leichten Endringen von Heissgas in den Ringraum kommen.
  • Um zu verhindern, dass der den Ringraum 5 radial nach außen durchsetzende Spülgasstrom S, der aufgrund der Rotationsbewegungen der Rotoreinheit 2 im Bereich des Hohlraumes 7 stark verwirbelt ist und somit sowohl die Druckverhältnisse im Ringraum 5 reduzieren sowie auch den Kühlluftstrom K erheblich stören würde, sind an der stationären Komponente 1 im Bereich des Spaltraumes 6 Strömungsleitmittel 8 angebracht, die jeweils einseitig frei endend in den Spaltraum 6 hinein ragen. Die einzelnen Strömungsleitmittel 8 sind in Form kleiner Leitschaufeln ausgebildet und ragen von Seiten der stationären Komponente 1 einseitig in den Spaltraum 6 hinein, ohne dabei die Rotoreinheit 2 zu berühren.
  • Je nach Wahl des Engspaltes 6', der dessen Höhe idealerweise gegen Null gehen sollte, kann es bei transientem Betrieb der Gasturbine zu einem Anstreifen der Strömungsleitmittel 8 an die Rotoreinheit 2 kommen. Um ein derartiges Anstreifen zu erlauben kann an das freie Ende der Strömungsleitmittel 8 eine Abriebkante, eine Schneidkante oder äquivalente Mittel vorgesehen werden. Weiter ist die Benutzung von Honeycombs oder einer Abriebschicht auf der entsprechenden Anstreiffläche der Rotoreinheit 2 möglich.
  • In Fig. 1b ist eine Darstellung mit axialer Blickrichtung auf den Spaltraum 6 (Schnitt A-A der Figur 1 a) gezeigt, der zwischen der stationären Komponente 1 und der Rotoreinheit 2 begrenzt ist. Zu sehen sind die Kühlmittelaustrittsöffnungen 4, aus denen Kühlluft von Seiten der stationären Komponente 1 in den Ringraum ausgebracht wird. Fest mit der stationären Komponente 1 sind jeweils Strömungsleitmittel 8 einseitig verbunden, die in den Spaltraum 6 hinein ragen und somit den Spaltraum 6 in eine Vielzahl von zwischen den Strömungsleitmitteln begrenzten Durchströmungsbereiche D unterteilt. Die einzelnen Strömungsleitmittel 8, die vorzugsweise in Form kleiner Leitschaufeln ausgebildet sind, weisen an ihrem freien Ende, das der Rotoreinheit 2 zugewandt ist, jeweils einen Deckband 8' auf, das mit der Rotoreinheit 2 einen Engspalt 6' einschließt. Die Spaltweite des Engspaltes 6' sollte kleiner als die Hälfte der Spaltbreite d des Spaltraumes 6 betragen. Vorzugsweise sollte jedoch der Engspalt 6' derart gering eingestellt sein, so dass möglichst keine Strömungsanteile der Spülgasströmung S durch den zwischen den Deckbändern 8' der Strömungsleitmittel 8 und der Rotoreinheit 2 gelangen können.
  • Um die stark verwirbelte Spülgasströmung S, wie sie unmittelbar aus dem Hohlraum 7 in Richtung des Ringraumes 5 austritt, bezüglich ihres Wirbelanteils zu glätten, dienen die Durchströmungsbereiche D zwischen jeweils benachbart angeordneten Strömungsleitmittel 8 als Zwangsströmungswege, längs denen die Spülgasströmung S geglättet, homogenisiert bzw. vergleichmässigt wird, so dass stromab zu den Strömungsleitmitteln 8 eine weitgehend wirbelfreie und in eine einheitliche Strömungsrichtung ausbreitende Spülgasströmung in den Ringraum 5 einströmt.
  • Fig. 1c zeigt eine radial nach außen orientierte Sicht auf das Profil der jeweiligen Strömungsleitmittel 8 (Schnitt B-B). Die einzelnen Strömungsleitmittel 8 schließen aufgrund Ihres in Axialrichtung gekrümmt verlaufend ausgebildeten Profils gleichfalls gekrümmt verlaufende Durchströmungsbereiche D ein, die von der Spülgasströmung durchströmt werden.
    Die Form und Ausbildung der Strömungsleitmittel können je nach der aerodynamischen Spülgascharakteristik innerhalb des Hohlraumes 7 individuell angepasst werden und ist nicht auf die Ausbildung als Leitschaufelartig ausgebildete Profilformen beschränkt.
  • Auch könnte erwogen werden die Anordnung bzw. die Anstellung der einzelnen Strömungsleitmittel relativ zu der durch die Durchströmungsbereiche D hindurchströmenden Spülgasströmung S zu variieren, um Anpassungen gegebenenfalls in Abhängigkeit von unterschiedlichen Laststufen der Gasturbinenanlage, bei denen sich unterschiedlich stark ausgeprägte Verwirbelungen innerhalb des Spülgases in dem Hohlraum 7 bilden können, vornehmen zu können.
  • In Fig. 1d ist eine Darstellung einer zweiten Ausführung mit axialer Blickrichtung auf den Spaltraum 6 (Schnitt A-A) gezeigt. Diese unterscheidet sich gegenüber der in Fig. 1b gezeigten Ausführung durch ein durchgehendes geschlossenes Deckband 8". Um die Leckage durch den Engspalt 6' zu minimieren ist auf dem Deckband 8" eine Dichtung 9 angebracht. Dies kann mindestens ein Dichtstreifen einer Labyrinthdichtung sein oder beispielsweise eine Bürstendichtung. Analog kann die Dichtung auch an der Rotoreinheit 2 angebracht sein.
  • In einer Ausführung werden die Strömungsleitmittel 8 mit dem geschlossenen Deckband 8"als Segmente zusammengestellt. Beispielsweise wird eine Vielzahl von Strömungsleitmitteln 8 als Kreisabschnitt mit geschlossenem Deckband 8" bereitgestellt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stationäre Komponente
    1*
    Stationäre Komponente
    2
    Rotoreinheit
    3
    Kühlmitteleintrittsöffnungen
    4
    Kühlmittelaustrittsöffnungen
    5
    Ringraum
    6
    Spaltraum
    6'
    Engspalt
    7
    Hohlraum
    8
    Strömungsleitmittel
    8'
    Deckband
    8"
    Geschlossenes Deckband
    9
    Dichtung
    A
    Rotorachse
    D
    Durchströmungskanal
    H
    Heissgase
    K
    Kühlmittelströmung
    L
    Leitschaufel
    S
    Spülgasströmung
    d
    Spaltbreite des Spaltraumes

Claims (10)

  1. Gasturbinenanordnung mit einem zwischen einer um eine Rotorachse (A) drehbaren Rotoreinheit (2) und wenigstens einer stationären Komponente (1) axial begrenzten Ringraum (5), in den von Seiten der wenigstens einen stationären Komponente (1) eine Vielzahl von Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) münden, aus denen jeweils eine Kühlmittelströmung (K) in den Ringraum (5) ausbringbar ist, die zumindest anteilig in Kühlmitteleintrittsöffnungen (3) gelangt, die in Strömungsrichtung der sich durch den Ringraum (5) ausbreitenden Kühlmittelströmung (K) in der Rotoreinheit (2) vorgesehen sind, sowie wenigstens einem radial zum Ringraum (5) inneren, von der Rotoreinheit (2) und der wenigstens einen stationären Komponente (1*) begrenzten Hohlraum (7), der mit einem Spülgas (S) druckbeaufschlagt und mit dem Ringraum (5) fluidisch verbunden ist. wobei die wenigstens eine stationäre Komponente (1) und die Rotoreinheit (2) einen Spaltraum (6) einschließen, durch den der wenigstens eine Hohlraum (7) gegenüber dem radial äusseren Ringraum (5) getrennt und über den der wenigstens eine Hohlraum (7) mit dem radial äusseren Ringraum (5) fluidisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
    dass in den Spaltraum (6) einseitig an der wenigstens einen stationären Komponente (1) befestigte Strömungsleitmittel (8) hineinragen.
  2. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltraum (6) zumindest abschnittsweise ringförmig zwischen der wenigstens einen stationären Komponente (1) und der Rotoreinheit (2) ausgebildet ist, und
    dass eine Vielzahl von Strömungsleitmitteln (8) in Umfangsrichtung verteilt längs des ringförmigen Spaltraumes (6) vorgesehen ist, so dass jeweils zwei benachbarte Strömungsleitmittel (8) einen Durchströmungsbereich (D) begrenzen.
  3. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitmittel (8) derart ausgebildet sind, dass eine durch den Spaltraum (6) von dem wenigstens einen Hohlraum (7) in den Ringraum (5) eintretende Spülgasströmung (S) eine durch die Strömungsleitmittel (8) eingeprägte Strömungscharakteristik erhält.
  4. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitmittel (8) in Art und Form von Leitschaufeln ausgebildet sind.
  5. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln jeweils ein in Axialrichtung gekrümmtes Schaufelprofil aufweisen.
  6. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitmittel (8) jeweils ein der Rotoreinheit (2) zugewandtes freies Ende aufweisen, das einen Engspalt (6') mit der Rotoreinheit (2) einschließt, dessen Spaltbreite kleiner oder gleich der Hälfte der Spaltbreite d des Spaltraumes (6) ist, d.h. kleiner oder gleich der Hälfte des grössten Abstandes zwischen der wenigstens einen stationären Komponente (1) und der Rotoreinheit (2) im Bereich des Spaltraumes (6).
  7. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitmittel (8) in Form von Leitschaufeln jeweils ein am freien Ende angebrachtes Deckband (8') aufweisen.
  8. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoreinheit (2) eine Rotorscheibe mit an ihrem Umfangsrang angebrachten Turbinenlaufschaufeln ist, und dass die wenigstens eine stationäre Komponente (1) eine der Rotoreinheit unmittelbar axial gegenüber angebrachte, stationäre Komponente (1) mit einem durch ein Kühlluftsystem mit Kühlluft (K) speisbares Kühlluftreservoir ist, aus dem über die Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) Kühlluft (K) in den Ringraum (5) gelangt.
  9. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitmittel um wenigstens eine Raumachs variabel justierbar sind.
  10. Verfahren zum Betrieb Gasturbinenanordnung mit einem zwischen einer um eine Rotorachse (A) drehbaren Rotoreinheit (2) und wenigstens einer stationären Komponente (1) axial begrenzten Ringraum (5), in den von Seiten der wenigstens einen stationären Komponente (1) eine Vielzahl von Kühlmittelaustrittsöffnungen (4) münden, aus denen jeweils eine Kühlmittelströmung (K) in den Ringraum (5) ausgebracht wird, die zumindest anteilig in Kühlmitteleintrittsöffnungen (3) gelangt, die in Strömungsrichtung der sich durch den Ringraum (5) ausbreitenden Kühlmittelströmung (K) in der Rotoreinheit (2) vorgesehen sind, sowie wenigstens einem radial zum Ringraum (5) inneren, von der Rotoreinheit (2) und der wenigsten einen stationären Komponente (1*) begrenzten Hohlraum (7), der mit einem Spülgas (S) druckbeaufschlagt und mit dem Ringraum (5) fluidisch verbunden ist, wobei das druckbeaufschlagte Spülgas (S) aufgrund eines zwischen dem wenigstens einen Hohlraum (7) und dem Ringraum (5) bestehenden Druckgefälles in Form eines Spülgasstromes (S) durch einen Spaltraum (6) tritt, durch den der wenigstens eine Hohlraum (7) gegenüber dem radial äusseren Ringraum (5) getrennt und über den der wenigstens eine Hohlraum (7) mit dem radial äusseren Ringraum (5) fluidisch verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drall des Spülgasstrom (S) bei Durchtritt durch den Spaltraum (6) mittels innerhalb des Spaltraumes (6) vorgesehener Strömungsleitmittel (8) reduziert wird.
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