EP3976934A1 - Verfahren zur modernisierung einer gasturbinenanlage sowie gasturbinenanlage - Google Patents

Verfahren zur modernisierung einer gasturbinenanlage sowie gasturbinenanlage

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EP3976934A1
EP3976934A1 EP20739891.8A EP20739891A EP3976934A1 EP 3976934 A1 EP3976934 A1 EP 3976934A1 EP 20739891 A EP20739891 A EP 20739891A EP 3976934 A1 EP3976934 A1 EP 3976934A1
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EP
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cooling air
guide vanes
gas turbine
guide
guide vane
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Harald KUNTE
Robert Kunte
Karen Lee
Michael Wagner
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • the present invention relates to a method for modernization of a gas turbine plant.
  • the invention also relates to a gas turbine system.
  • Gas turbine systems are known in the prior art in a wide variety of configurations. They comprise a combustion chamber lined with heat shield elements and a gas turbine arranged downstream of the combustion chamber and comprising guide vanes and rotor blades.
  • Those Hitzeschildele elements which are held in the downstream direction immediately in front of the gas turbine on the outside of a stationary annular support structure, and vane platforms of the guide vane in a first guide vane stage held on a stationary support structure define a radially inner and a radially outer ring gap between them due to the design.
  • Cooling air is introduced into these annular gaps via cooling air supply channels, which supply the guide vanes of the first guide vane stage with cooling air, in order to prevent overheating, in particular of the support structure, the support structure and the areas of said blade platforms facing the annular gap.
  • the introduction of the cooling air into the annular gap takes place mostly in the axial direction via cooling air openings which are formed on the face of the heat shield elements and are evenly distributed over the circumference of the annular gap.
  • the cooling air that is used to cool the heat shield elements is also used to cool the annular gap.
  • the cooling air passed through these cooling air channels thus enters the corresponding annular gap in the area of the pressure maxima and generates cooling air flows that prevent hot air from penetrating the annular gap in the area of the pressure maxima or in the area of the leading edges of the guide vanes.
  • the present invention creates a method for modernizing a gas turbine system, which has a combustion chamber lined with heat shield elements and a gas turbine arranged downstream of the combustion chamber, comprising guide vanes and rotor blades, the heat shield elements that are in the downstream direction immediately in front of the gas turbine on the The outside of a stationary support structure are held, and vane platforms of the guide vane held on a stationary support structure in a first guide vane stage define between them annular gaps, the method comprising the steps of: a) building out all guide vane in the first guide vane stage; b) Replacing the removed guide vane in the first guide vane stage with new or overhauled guide vane, with platforms of the new or refurbished guide vane being provided with cooling air bores which fluidly connect a cooling air supply duct that supplies the guide vane in the first guide vane stage with cooling air to one of the annular gaps and in open the corresponding annular gap, and where the Cooling air bores are arranged in such a way that more cooling air bore
  • the modernization method according to the invention is used in gas turbine systems that do not have any additional cooling in sections of the annular gaps in the area of the inflow edges of the guide vane in the first guide vane stage or the pressure maxima caused by this, there is a particular advantage in that to generate the cooling air holes no machining work in situ or on components that are difficult to dismantle, in particular on the support structure, which prevents unnecessary contamination of the gas turbine system during the implementation of the modernization process.
  • the cooling air ducts extending through the supporting structure are preferably at least partially closed after step a) and before step b), in particular all cooling air ducts being closed.
  • the positions of the cooling air outlet openings of the cooling channels formed in the support structure no longer correspond to the positions of the pressure maxima, which is why penetration of hot gas into the annular gaps in the area of the leading edges of the guide vanes can no longer be reliably prevented.
  • the present invention proposes to replace the cooling previously effected by these cooling channels at least partially, preferably completely, by cooling via the cooling air bores of the new guide vanes installed in step b). In this way, the advantage is also achieved that machining operations in situ or on components of the gas turbine system that are difficult to dismantle are avoided.
  • the cooling air bores formed in the vane platforms of the new or overhauled guide vanes define groups of cooling air bores arranged circumferentially at a distance from one another, which simplifies the manufacture of the guide vanes.
  • surfaces of the vane platforms facing in the radial direction of the guide vanes removed in step a) are provided with film cooling holes that are fluidically connected to one of the cooling air supply ducts when the vanes are installed, and surfaces of the vane platforms facing in the radial direction the new guide vanes installed in step b) are provided with film cooling holes which, when the guide vanes are installed, are fluidically connected to one of the cooling air supply ducts, the number of film cooling holes in the new or overhauled guide vanes being less than the number of film cooling holes in step a ) removed guide vane.
  • baffle plates are arranged on the vane platforms of the new or overhauled guide vanes provided with through holes, which are designed and arranged in such a way that they have to be passed by the cooling air coming from the corresponding cooling air supply duct in order to get to the film cooling holes. With such baffles an improved cooling is achieved.
  • each of the baffle plates is designed and arranged in such a way that an intermediate space remains between it and the film cooling holes (16).
  • some of the cooling air bores formed in the blade platforms of the new or overhauled guide vanes are arranged in such a way that they open into the intermediate space.
  • the present invention creates a gas turbine system which has a combustion chamber lined with heat shield elements and a gas turbine arranged downstream of the combustion chamber, comprising guide vanes and rotor blades, with those heat shield elements that are located in the downstream direction immediately in front of the gas turbine on the outside of a stationary one Support structure are held, and vane platforms of the guide vane held on a stationary support structure in a first guide vane stage define between them annular gaps, the vane platforms of the guide vanes being provided with cooling air bores which fluidically connect a cooling air supply duct that supplies the guide vane in the first guide vane stage with cooling air to one of the annular gaps and open into the corresponding annular gap.
  • cooling air bores open into areas of an annular gap which are arranged radially inward of the leading edges of the guide vanes than into other areas of the Ringspal th.
  • the cooling air bores formed in the vane platforms of the guide vane in the first guide vane stage define groups of cooling air bores that are circumferentially spaced from one another.
  • the cooling air holes of each cooling air hole group are positioned identically.
  • surfaces of the vane platforms of the vane in the first vane stage facing in the radial direction are provided with film cooling holes which, when the vane is installed, are fluidically connected to one of the cooling air supply channels.
  • the first Leit vane stage are advantageously versehe ne baffles with through holes arranged, which are designed and arranged so that they must be passed by the cooling air coming from one of the cooling air ducts to get to the film cooling holes.
  • Each of the baffle plates is preferably designed and arranged in such a way that there is an intermediate space between it and the film cooling holes.
  • Some of the cooling air bores are advantageously arranged in such a way that some of the cooling air bores open into the space.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a partial area of a gas turbine plant
  • FIG. 2 is a partial view in the direction of the arrows II in FIG
  • Figure 3 is a perspective view of a guide vane
  • FIG. 1 a first guide vane stage of the gas turbine system shown in FIG. 1, in which a baffle plate is not shown;
  • FIG. 4 shows a perspective view of a new or overhauled guide vane, in which a baffle plate is not shown;
  • FIG. 5 shows a sectional view along the sectional plane V in
  • FIG. 6 is a view analogous to FIG. 4, which shows a new or overhauled guide vane with alternative patterns of cooling air bores.
  • the gas turbine system 1 shown in FIG. 1 comprises a combustion chamber 3 lined with heat shield elements 2 and a gas turbine 6 arranged downstream of the combustion chamber 3 and comprising guide vanes 4 and rotor blades 5.
  • Those heat shield elements 2 which, in the downstream direction immediately in front of the gas turbine 6 on the outside of a stationary Support structure 7, 8 are held, and on the stationary support structure 7 on the one hand and on a further stationary support structure 10 on the other hand held vane platforms 11 of the guide vanes 4 of the first guide vane stage define between each other annular gaps 12.
  • cooling air openings 13 which receive cooling air via cooling air supply channels 14, 15.
  • Thisdeluftöff openings 13 of the annular gap 12 is cooled during operation of the gas turbine system 1 with cooling air that was previously used for cooling the heat shield elements 2 was used.
  • cooling air channels 17 extending from the corresponding cooling air supply channel 14, 15 through the support structures 7 and 8 open out.
  • These cooling air channels 17 are used for this purpose to prevent the entry of hot gas into the annular gap 12 due to an inhomogeneous pressure distribution in the area of the annular gap 12.
  • This inhomogeneous pressure distribution is caused by the fact that the hot gas accumulates on the leading edges 16 of the guide vanes 4 of the first guide vane stage when it enters the gas turbine 6, whereby pressure maxima are generated in the area of the flow edges 16, due to which the hot gas is pressed into the annular gaps 12 becomes.
  • the guide vanes 4 of the first guide vane stage must be replaced.
  • all Leitschaufein 4 of the first Leitschaufeistu fe expanded are replaced by new guide vanes 4.
  • a problem that is associated with the fact that fewer new guide vanes 4 are installed than were previously installed is that the positions of the leading edges 16 of the guide vanes 4 and thus the positions of the pressure maxima of the inhomogeneous pressure distribution change.
  • the cooling air channels 17 extending through the support structures 7, 8 also no longer open in the correct positions in order to be able to effectively counteract penetration of hot gas into the annular gaps 12 in the area of the leading edges 16 of the guide vanes 4.
  • the blade platforms 11 of the new guide vanes 4, one of which is shown in FIGS. 4 and 5 are provided with cooling air bores 22, which fluidly connect the cooling air supply ducts 14, 15 to the annular gaps 12 and into the annular gaps 12 open.
  • These cooling air holes 22 are arranged in such a way that more cooling air holes 22 open into areas of the Ringspal te 12, which are arranged radially with respect to the leading edges 16 of the guide vanes 4 than in other areas of the annular gaps 12.
  • cooling air holes 22 take over the function of the cooling air channels 17.
  • six cooling air bores 22 are provided on each blade platform 11.
  • the other three cooling air bores 22 close with the axial direction here at an angle ß in the range between 15 ° -28 ° and open in the flow direction of the cooling air in front of the baffle 20.
  • the angle and ß depending on the construction of the guide vane have values in the range between 0 ° and 30 °.
  • the new guide vanes 4 are provided with film cooling holes 19, but their number is less than the number of film cooling holes 19 of the removed ones Guide vane 4 is.
  • the new guide screens 4 have fewer film cooling holes 19 than the old guide screens 4, as can be seen from the comparison of FIGS. 3 and 4. This has the advantage that part of the cooling air previously used for film cooling is now available for cooling the annular gaps 12, so that the total cooling air flow is not impaired due to the additional cooling air bores 22.
  • the cooling air ducts 17 extending through the support structures 7 and 8 can be left as they are. Alternatively, however, they can also be closed before the new guide vanes 4 are installed.
  • a major advantage associated with the design of the new guide vanes 4 is that no new cooling air ducts 17 have to be introduced into the support structures 7, 8 in order to feed the cooling air into the annular gaps 12 at the changing positions of the leading edges 16 of the Guide blades 4 and thus adjust the pressure maxima.
  • no machining operations need to be carried out in situ or on components of the gas turbine system 1 that are difficult to dismantle. Rather, the cooling air holes 22 can be taken gefer directly during the manufacture of the new guide vanes 4.
  • the method described above can also be carried out in gas turbine systems 1 that do not have any cooling air ducts 17 that counteract the penetration of hot gas into the annular gaps 12 in the area of the inflow edges 16 of the guide vanes 4.
  • a corresponding countermeasure against the ingress of hot air due to inhomogeneous pressure distribution is provided for the first time, regardless of whether the number of new or overhauled guide vanes 4 is less than, equal to or greater than the number of existing guide vanes 4 of the gas turbine plant 1 to be modernized.
  • the positions, orientations and the number of cooling air bores 22 of the new guide vanes 4 can vary. So FIG.
  • FIG. 6 shows an example of an alternative pattern of cooling air bores 22 opening into an annular gap 12 radially of a leading edge 13. It should also be pointed out that the new or overhauled guide vanes 4 can only be provided with cooling air bores 21 on one of their blade platforms 11, so that through the Leitschaufein 4 only cooling air is passed into one of the two annular gaps 12.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modernisierung einer Gasturbinenanlage (1), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Ausbauen sämtlicher Leitschaufeln (4) der ersten Leitschaufelstufe; b) Ersetzen der ausgebauten Leitschaufeln (4) der ersten Leitschaufelstufe durch neue oder überholte Leitschaufeln (4), wobei Schaufelplattformen (11) der neuen oder überholten Leitschaufeln (4) mit Kühlluftbohrungen (19) versehen sind, die einen Kühlluftzuführkanal (12) mit dem Ringspalt (10) fluidtechnisch verbinden und in den Ringspalt (10) münden, und wobei die Kühlluftbohrungen (19) derart angeordnet sind, dass in Bereiche eines Ringspaltes (10), die radial einwärts von Anströmkanten (13) der Leitschaufeln (4) angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen (19) münden als in andere Bereiche des Ringspaltes (10). Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechend modernisierte Gasturbinenanlage (1).

Description

Verfahren zur Modernisierung einer Gasturbinenanlage sowie
Gasturbinenanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Moderni sierung einer Gasturbinenanlage. Ferner betrifft die Erfin dung eine Gasturbinenanlage.
Gasturbinenanlagen sind im Stand der Technik in unterschied lichsten Ausgestaltungen bekannt. Sie umfassen eine mit Hit zeschildelementen ausgekleidete Brennkammer und eine stromab wärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufein und Lauf schaufeln umfassende Gasturbine. Diejenigen Hitzeschildele mente, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gas turbine an der Außenseite einer ortsfesten ringförmigen Trag struktur gehalten sind, und an einer ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufein einer ersten Leitschaufeistufe definieren zwischen sich konstruktionsbe dingt einen radial inneren und einen radial äußeren Ring spalt. In diese Ringspalte wird über Kühlluftzuführkanäle, welche die Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe mit Kühlluft versorgen, Kühlluft eingeleitet, um einer Überhit zung insbesondere der Tragstruktur, der Tragstruktur und der dem Ringspalt zugewandten Bereiche besagter Schaufelplattfor men vorzubeugen. Die Einleitung der Kühlluft in den Ringspalt erfolgt meist in axialer Richtung über stirnseitig an den Hitzeschildelementen ausgebildete, gleichmäßig über den Um fang des Ringspalts verteilte Kühlluftöffnungen. Mit anderen Worten wird diejenige Kühlluft, die zum Kühlen der Hitze schildelemente eingesetzt wird, zusätzlich auch zur Kühlung des Ringspalts verwendet.
Es hat sich herausgestellt, dass sich während des Betriebs einer solchen Gasturbinenanlage inhomogene Druckfelder im Be reich der Ringspalte ausbilden, die in erster Linie dadurch verursacht werden, dass sich das aus der Brennkammer in die Gasturbine einströmende Heißgas im Bereich der Anströmkanten der Schaufelblätter der Leitschaufein der ersten Leitschau- felstufe staut. Diese inhomogenen Druckfelder weisen im Be reich der Anströmkanten Druckmaxima auf, die dazu führen, dass das Heißgas im Bereich der Anströmkanten in die Ring spalte eindringt. Vor diesem Hintergrund ist es ferner be kannt, die Tragstruktur mit Kühlluftkanälen zu versehen, die jeweils einen Kühlluftzuführkanal mit einem der Ringspalte fluidtechnisch verbinden und radial einwärts der Anströmkan ten der Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe in den entsprechenden Ringspalt münden. Die durch diese Kühlluft kanäle geleitete Kühlluft tritt somit jeweils im Bereich der Druckmaxima in den entsprechenden Ringspalt ein und erzeugt Kühlluftströme, die ein Eindringen von Heißluft in den Ring spalt im Bereich der Druckmaxima bzw. im Bereich der Anström kanten der Leitschaufein verhindern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbinenanlage mit alter nativem Aufbau zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Modernisierung einer Gasturbinenanlage, die eine mit Hitzeschildelementen ausgekleidete Brennkammer und eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufein und Laufschaufeln umfassende Gasturbine aufweist, wobei die jenigen Hitzeschildelemente, die in Stromabwärtsrichtung un mittelbar vor der Gasturbine an der Außenseite einer ortsfes ten Tragstruktur gehalten sind, und an einer ortsfesten Trag struktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufein einer ersten Leitschaufeistufe zwischen sich Ringspalte defi nieren, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Aus bauen sämtlicher Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe ; b) Ersetzen der ausgebauten Leitschaufein der ersten Leit schaufelstufe durch neue oder überholte Leitschaufein, wobei Plattformen der neuen oder überholten Leitschaufel mit Kühl luftbohrungen versehen sind, die einen die Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluft- zuführkanal mit einem der Ringspalte fluidtechnisch verbinden und in den entsprechenden Ringspalt münden, und wobei die Kühlluftbohrungen derart angeordnet sind, dass in Bereiche des Ringspaltes oder der Ringspalte, die in radialer Richtung im Bereich von Anströmkanten der Leitschaufein angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen münden als in andere Bereiche des Ringspaltes oder der Ringspalte.
Wird das erfindungsgemäße Modernisierungsverfahren bei Gas turbinenanlagen angewendet, die noch über keine zusätzliche Kühlung in Abschnitten der Ringspalte im Bereich der Anström kanten der Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe bzw. der durch diese verursachten Druckmaxima verfügen, so besteht ein besonderer Vorteil dahingehend, dass zur Erzeugung der Kühlluftbohrungen keine spanenden Arbeiten in situ oder an schwer zu demontierenden Komponenten, wie insbesondere an der Tragstruktur durchgeführt werden müssen, wodurch unnötige Verunreinigungen der Gasturbinenanlage während der Durchfüh rung des Modernisierungsverfahrens verhindert werden. Viel mehr können die Kühlluftbohrungen dank der Tatsache, dass diese an einer oder an beiden Schaufelplattformen der betref fenden Leitschaufein vorgesehen werden, beim Herstellen neuer Leitschaufein bzw. beim Überholen alter Leitschaufein abseits der Gasturbinenanlage gefertigt werden.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren an einer zu modernisie rende Gasturbinenanlage durchgeführt, die bereits sich durch die Tragstruktur erstreckende, jeweils einen der Kühlluftzu- führkanäle mit einem der Ringspalte fluidtechnisch miteinan der verbindende und in den entsprechenden Ringspalt mündende Kühlluftkanäle aufweist, und stimmt die Anzahl der neuen oder überholten Leitschaufein nicht mit der Anzahl der ausgebauten Leitschaufein überein, so werden die sich durch die Trag struktur erstreckenden Kühlluftkanäle nach Durchführung des Schrittes a) und vor Durchführung des Schrittes b) bevorzugt zumindest teilweise verschlossen, wobei insbesondere sämtli che Kühlluftkanäle verschlossen werden. In Fällen, in denen die Anzahl der Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe im Rahmen von Modernisierungsarbeiten verändert, insbesondere verringert werden soll, stimmen die Positionen der Kühlluft- austrittsöffnungen der in der Tragstruktur ausgebildeten Kühlkanäle nicht mehr mit den Positionen der Druckmaxima überein, weshalb ein Eindringen von Heißgas in die Ringspalte im Bereich der Anströmkanten der Leitschaufein nicht mehr sicher verhindert werden kann. Anstatt in der Tragstruktur neue Kühlkanäle an den entsprechenden Positionen zu fertigen, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die zuvor durch diese Kühlkanäle bewirkte Kühlung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig durch eine Kühlung über die Kühlluftbohrungen der in Schritt b) montierten neuen Leitschaufein zu ersetzen. Auf diese Weise wird ebenfalls der Vorteil erzielt, dass spanende Bearbeitungen in situ oder an schwer zu demontierenden Kompo nenten der Gasturbinenanlage vermieden werden.
Bevorzugt definieren die in Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufein ausgebildeten Kühlluftbohrungen umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftboh rungsgruppen, was zu einer Vereinfachung der Fertigung der Leitschaufein führt.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufein mit Filmkühlungs löchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschau feln fluidtechnisch mit einem der Kühlluftzuführkanäle ver bunden sind, und in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der in Schritt b) eingebauten neuen Leit schaufeln sind mit Filmkühlungslöchern versehen, die im ein gebauten Zustand der Leitschaufein fluidtechnisch mit eine der Kühlluftzuführkanäle verbunden sind, wobei die Anzahl der Filmkühlungslöcher der neuen oder überholten Leitschaufein geringer ist als die Anzahl der Filmkühlungslöcher der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufein . Der Kühlluftmassen strom, der durch die Verringerung der Filmkühlungslöcher ein gespart wird, kann dann ganz oder teilweise durch die in den Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufein ausgebildeten Kühlluftbohrungen geleitet werden. Bevorzugt sind an Schaufelplattformen der neuen oder überhol ten Leitschaufein mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche angeordnet, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von dem entsprechenden Kühlluftzuführkanal kom menden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmküh lungslöchern zu gelangen. Mit derartigen Prallblechen wird eine verbesserte Kühlung erzielt.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist je des der Prallbleche derart ausgebildet und angeordnet, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern (16) ein Zwi schenraum verbleibt.
Vorteilhaft sind einige der in den Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufein ausgebildeten Kühlluft bohrungen derart angeordnet, dass sie in den Zwischenraum münden .
Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenan lage, die eine mit Hitzeschildelementen ausgekleidete Brenn kammer und eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufein und Laufschaufeln umfassende Gasturbine auf weist, wobei diejenigen Hitzeschildelemente, die in Stromab- wärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine an der Außensei te einer ortsfesten Tragstruktur gehalten sind, und an einer ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufein einer ersten Leitschaufeistufe zwischen sich Ringspalte definieren, wobei Schaufelplattformen der Leit schaufeln mit Kühlluftbohrungen versehen sind, die jeweils einen die Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluftzuführkanal mit einem der Ring spalte fluidtechnisch verbinden und in den entsprechenden Ringspalt münden.
Bevorzugt münden in Bereiche eines Ringspaltes, die radial einwärts der Anströmkanten der Leitschaufein angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen als in andere Bereiche des Ringspal tes . Vorteilhaft definieren die in den Schaufelplattformen der Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe ausgebildete Kühl- luftbohrungen umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftbohrungsgruppen .
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Kühlluftbohrungen jeder Kühlluftbohrungsgruppe identisch po sitioniert .
Bevorzugt sind in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der Leitschaufein der ersten Leitschau felstufe mit Filmkühlungslöchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschaufein fluidtechnisch mit einem der Kühl luftzuführkanäle verbunden sind.
An den Schaufelplattformen der Leitschaufein der ersten Leit schaufelstufe sind vorteilhaft mit Durchgangslöchern versehe ne Prallbleche angeordnet, die derart ausgebildet und ange ordnet sind, dass diese von der von einem der Kühlluftzuführ kanäle kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern zu gelangen.
Jedes der Prallbleche ist bevorzugt derart ausgebildet und angeordnet, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern ein Zwischenraum vorhanden ist.
Vorteilhaft sind einige der Kühlluftbohrungen derart angeord net, dass einige der Kühlluftbohrungen in den Zwischenraum münden .
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wer den anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Teilberei ches einer Gasturbinenanlage; Figur 2 eine Teilansicht in Richtung der Pfeile II in Figur
1;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufel
einer ersten Leitschaufeistufe der in Figur 1 ge zeigten Gasturbinenanlage, bei der ein Prallblech nicht dargestellt ist;
Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer neuen oder über holten Leitschaufei , bei der ein Prallblech nicht dargestellt ist;
Figur 5 eine Schnittansicht entlang der Schnittebene V in
Figur 4; und
Figur 6 eine Ansicht analog zu Figur 4, die eine neue oder überholte Leitschaufel mit alternativen Mustern von Kühlluftbohrungen zeigt.
Die in Figur 1 gezeigte Gasturbinenanlage 1 umfasst eine mit Hitzeschildelementen 2 ausgekleidete Brennkammer 3 und eine stromabwärts der Brennkammer 3 angeordnete, Leitschaufein 4 und Laufschaufeln 5 umfassende Gasturbine 6. Diejenigen Hit zeschildelemente 2, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine 6 an der Außenseite einer ortsfesten Trag struktur 7, 8 gehalten sind, und an der ortsfesten Tragstruk tur 7 einerseits und an einer weiteren ortsfesten Tragstruk tur 10 andererseits gehaltene Schaufelplattformen 11 der Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistufe definieren zwi schen sich Ringspalte 12. In die Ringspalte 12 münden zum einen stirnseitig an den Hitzeschildelementen 2 ausgebildete, sich im Wesentlichen in axialer Richtung A erstreckende, gleichmäßig über den Umfang der Ringspalte 12 in Umfangsrich tung U verteilte Kühlluftöffnungen 13, die Kühlluft über Kühlluftzuführkanäle 14, 15 beziehen. Über diese Kühlluftöff nungen 13 wird der Ringspalt 12 während des Betriebs der Gas turbinenanlage 1 mit Kühlluft gekühlt, die zuvor zur Kühlung der Hitzeschildelemente 2 verwendet wurde. Zum anderen münden in Bereiche der Ringspalte 12, die bezogen auf Anströmkanten 16 der Leitschaufein 4 radial (Richtung R) angeordnet sind, sich ausgehend von dem entsprechenden Kühlluftzuführkanal 14, 15 durch die Tragstrukturen 7 und 8 erstreckende Kühlluft kanäle 17. Diese Kühlluftkanäle 17 dienen dazu, den Eintritt von Heißgas in die Ringspalte 12 aufgrund einer inhomogenen Druckverteilung im Bereich des Ringspalts 12 zu verhindern. Diese inhomogene Druckverteilung wird dadurch verursacht, dass sich das Heißgas beim Eintritt in die Gasturbine 6 an den Anströmkanten 16 der Leitschaufein 4 der ersten Leit schaufelstufe staut, wodurch Druckmaxima im Bereich der An strömkanten 16 erzeugt werden, aufgrund derer das Heißgas in die Ringspalte 12 gedrückt wird. Die Kühlluftströme, die durch die Kühlluftkanäle 17 in die Ringspalte 12 an Positio nen eingeleitet werden, die radial zu den jeweiligen Anström kanten 16 positioniert sind, wirken diesen Druckmaxima effek tiv entgegen. Die vorliegend im Querschnitt U-förmig ausge bildeten, das Schaufelblatt 18 zwischen sich aufnehmenden Schaufelplattformen 11 der in Figur 3 dargestellten Leit schaufel 4, bei der es sich um eine von mehreren identisch ausgebildeten Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistufe handelt, sind an den in radiale Richtung R weisenden Flächen mit einer Vielzahl von Filmkühlungslöchern 19 versehen. An den radial auswärts weisenden Flächen der Schaufelplattformen 11 sind in Figur 3 nicht dargestellte, mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche 20 befestigt, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie von der von den Kühlluftzuführ- kanälen 14, 15 kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern 19 zu gelangen, wobei zwischen einem Prallblech 20 und den Filmkühlungslöchern 19 einer Schaufelplattform 11 jeweils ein Zwischenraum 21 vorhanden ist .
Soll im Rahmen eines erfindungsgemäßen Modernisierungsverfah rens beispielsweise die Anzahl der Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistufe reduziert werden, so müssen die Leitschau feln 4 ausgetauscht werden. Hierzu werden in einem ersten Schritt sämtliche Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistu fe ausgebaut. In einem weiteren Schritt werden die ausgebau ten Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistufe durch neue Leitschaufein 4 ersetzt. Ein Problem, das damit einhergeht, dass weniger neue Leitschaufein 4 eingebaut werden als zuvor montiert waren, besteht nun darin, dass sich die Positionen der Anströmkanten 16 der Leitschaufein 4 und damit die Posi tionen der Druckmaxima der inhomogenen Druckverteilung verän dern. Somit münden die sich durch die Tragstrukturen 7, 8 er streckenden Kühlluftkanäle 17 ebenfalls nicht mehr an den richtigen Positionen, um einem Eindringen von Heißgas in die Ringspalte 12 im Bereich der Anströmkanten 16 der Leitschau feln 4 effektiv entgegenwirken zu können. Zur Lösung dieses Problems sind die Schaufelplattformen 11 der neuen Leitschau feln 4, von denen eine in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, mit Kühlluftbohrungen 22 versehen, welche die Kühlluft- zuführkanal 14, 15 mit den Ringspalten 12 fluidtechnisch ver binden und in die Ringspalte 12 münden. Diese Kühlluftbohrun gen 22 sind derart angeordnet, dass in Bereiche der Ringspal te 12, die radial in Bezug auf die Anströmkanten 16 der Leit schaufeln 4 angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen 22 münden als in andere Bereiche der Ringspalte 12. Somit übernehmen diese Kühlluftbohrungen 22 die Funktion der Kühlluftkanäle 17. Im vorliegenden Fall sind an jeder Schaufelplattform 11 sechs Kühlluftbohrungen 22 vorgesehen. Drei der Kühlluftboh rungen 22, die mit der axialen Richtung A vorliegend einen Winkel zwischen 5°-10° einschließen, mündet in den Zwi schenraum 21, der zwischen der Schaufelplattform 11 und dem Prallblech 20 vorhanden ist, also in Strömungsrichtung der Kühlluft hinter dem Prallblech 20. Die anderen drei Kühlluft bohrungen 22 schließen mit der axialen Richtung vorliegend einen Winkel ß im Bereich zwischen 15°-28° ein und münden in Strömungsrichtung der Kühlluft vor dem Prallblech 20. Grund sätzlich können die die Winkel und ß abhängig von der Kon struktion der Leitschaufel Werte im Bereich zwischen 0° und 30° aufweisen. Ferner sind die neuen Leitschaufein 4 mit Filmkühlungslöchern 19 versehen, wobei jedoch deren Anzahl geringer als die Anzahl der Filmkühllöcher 19 der ausgebauten Leitschaufein 4 ist. Vorliegend weisen die neuen Leitschau feln 4 weniger Filmkühlungslöcher 19 als die alten Leitschau feln 4 auf, wie es aus dem Vergleich der Figuren 3 und 4 her vorgeht. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil der zuvor für die Filmkühlung verwendeten Kühlluft nunmehr für die Kühlung der Ringspalte 12 zur Verfügung steht, so dass der Gesamt- kühlluftstrom aufgrund der zusätzlichen Kühlluftbohrungen 22 nicht beeinträchtigt wird. Die sich durch die Tragstrukturen 7 und 8 erstreckenden Kühlluftkanäle 17 können belassen wer den. Alternativ können sie aber vor der Montage der neuen Leitschaufein 4 auch verschlossen werden.
Ein wesentlicher Vorteil, der mit dem Design der neuen Leit schaufeln 4 einhergeht, besteht darin, dass keine neuen Kühl luftkanäle 17 in die Tragstrukturen 7, 8 eingebracht werden müssen, um die Kühlluftzufuhr in die Ringspalte 12 an die sich verändernden Positionen der Anströmkanten 16 der Leit schaufeln 4 und damit der Druckmaxima anzupassen. Entspre chend müssen keine spanenden Bearbeitungen in situ oder an schwer zu demontierenden Komponenten der Gasturbinenanlage 1 durchgeführt werden. Vielmehr können die Kühlluftbohrungen 22 direkt bei der Herstellung der neuen Leitschaufein 4 gefer tigt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich das zuvor beschriebene Verfahren auch bei solchen Gasturbinenanlagen 1 durchführen lässt, die keine Kühlluftkanäle 17 aufweisen, die einem Ein dringen von Heißgas in die Ringspalte 12 im Bereich der An strömkanten 16 der Leitschaufein 4 entgegenwirken. Entspre chend wird durch den Einbau der neuen Leitschaufein 4 erst malig eine entsprechende Gegenmaßnahme gegen eindringende Heißluft aufgrund inhomogener Druckverteilung bereitgestellt, und zwar unabhängig davon, ob die Anzahl neuer oder überhol ter Leitschaufein 4 kleiner als, gleich der oder größer als die Anzahl der vorhandenen Leitschaufein 4 der zu modernisie renden Gasturbinenanlage 1 ist. Ferner sollte klar sein, dass die Positionen, die Ausrichtungen und die Anzahl der Kühl luftbohrungen 22 der neuen Leitschaufein 4 variieren kann. So zeigt Figur 6 beispielhaft ein alternatives Muster von in einen Ringspalt 12 radial einer Anströmkante 13 mündenden Kühlluftbohrungen 22. Zudem sei darauf hingewiesen, dass die neuen oder überholten Leitschaufein 4 auch nur an einer ihrer Schaufelplattformen 11 mit Kühlluftbohrungen 21 versehen sei en können, so dass durch die Leitschaufein 4 nur Kühlluft in einen der beiden Ringspalte 12 geleitet wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Modernisierung einer Gasturbinenanlage
(1) ,
die eine mit Hitzeschildelementen (2) ausgekleidete Brenn kammer (3) und eine stromabwärts der Brennkammer angeordne te, Leitschaufein (4) und Laufschaufeln (5) umfassende Gas turbine (6) aufweist,
wobei diejenigen Hitzeschildelemente (2), die in Stromab- wärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine (6) an der Au ßenseite einer ortsfesten Tragstruktur (7,8) gehalten sind, und an einer ortsfesten Tragstruktur (7,10) gehaltene
Schaufelplattformen (11) der Leitschaufein (4) einer ersten Leitschaufeistufe zwischen sich Ringspalte (12) definieren, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
a) Ausbauen sämtlicher Leitschaufein (4) der ersten Leit schaufelstufe;
b) Ersetzen der ausgebauten Leitschaufein (4) der ersten Leitschaufeistufe durch neue oder überholte Leitschaufein (4) ,
wobei Schaufelplattformen (11) der neuen oder überholten Leitschaufein (4) mit Kühlluftbohrungen (22) versehen sind, die einen die Leitschaufein (4) der ersten Leitschaufeistu fe mit Kühlluft versorgenden Kühlluftzuführkanal (14,15) mit einem der Ringspalte (12) fluidtechnisch verbinden und in den entsprechenden Ringspalt (12) münden, und
wobei die Kühlluftbohrungen (22) derart angeordnet sind, dass in Bereiche des Ringspaltes (12) oder der Ringspalte (12), die in radialer Richtung im Bereich von Anströmkanten (16) der Leitschaufein (4) angeordnet sind, mehr Kühlluft bohrungen (22) münden als in andere Bereiche des Ringspal tes (12) oder der Ringspalte (12) .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zu modernisierende Gasturbinenanlage (1) sich durch die Tragstruktur (7,8) erstreckende, jeweils einen der Kühl luftzuführkanäle (14,15) mit einem der Ringspalte (12) flu idtechnisch miteinander verbindende und in den entsprechen den Ringspalt (12) mündende Kühlluftkanäle (17) aufweist, dass die Anzahl der neuen oder überholten Leitschaufein (4) nicht mit der Anzahl der ausgebauten Leitschaufein (4) übereinstimmt, und
dass die sich durch die Tragstruktur (7,8) erstreckenden Kühlluftkanäle (17) nach Durchführung des Schrittes a) und vor Durchführung des Schrittes b) zumindest teilweise ver schlossen werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die in Schaufelplattformen (11) der neuen oder überholten Leitschaufein (4) ausgebildeten Kühlluftbohrungen (22) um fänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftboh rungsgruppen definieren.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlluftbohrungen (22) jeder Kühlluftbohrungsgruppe identisch positioniert sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplatt formen (11) der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufein (4) mit Filmkühlungslöchern (19) versehen sind,
die im eingebauten Zustand der Leitschaufein (4) fluidtech nisch mit einem der Kühlluft zuführkanäle (14,15) verbunden sind, und
dass in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufel plattformen (11) der in Schritt b) eingebauten neuen Leit schaufeln (4) mit Filmkühlungslöchern (19) versehen sind, die im eingebauten Zustand der Leitschaufein (4) fluidtech nisch mit eine der Kühlluft zuführkanäle (14,15) verbunden sind,
wobei die Anzahl der Filmkühlungslöcher (19) der neuen oder überholten Leitschaufein (4) geringer ist als die Anzahl der Filmkühlungslöcher (19) der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufein (4) .
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
Schaufelplattformen (11) der neuen oder überholten Leit schaufeln (4) mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche (20) angeordnet sind, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von dem entsprechenden Kühlluftzu- führkanal (14,15) kommenden Kühlluft passiert werden müs sen, um zu den Filmkühlungslöchern (19) zu gelangen.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes der Prallbleche (20) derart ausgebildet und angeord net ist, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern (19) ein Zwischenraum (21) verbleibt.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
einige der in den Schaufelplattformen (11) der neuen oder überholten Leitschaufein (4) ausgebildeten Kühlluftbohrun gen (22) derart angeordnet sind, dass sie in den Zwischen raum (21) münden.
9. Gasturbinenanlage (1),
die eine mit Hitzeschildelementen (2) ausgekleidete Brenn kammer (3) und eine stromabwärts der Brennkammer (3) ange ordnete Leitschaufein (4) und Laufschaufeln (5) umfassende Gasturbine (6) aufweist,
wobei diejenigen Hitzeschildelemente (2), die in Stromab- wärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine (6) an der Außenseite einer ortsfesten Tragstruktur (7,8) gehalten sind, und an einer ortsfesten Tragstruktur (7,10) gehaltene Schaufelplattformen (11) der Leitschaufein (4) einer ersten Leitschaufeistufe zwischen sich Ringspalte (12) definieren, wobei Schaufelplattformen (11) der Leitschaufein (4) mit Kühlluftbohrungen (22) versehen sind, die jeweils einen die Leitschaufein (4) der ersten Leitschaufeistufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluftzuführkanal (14,15) mit einem der Ringspalte (12) fluidtechnisch verbinden und in den ent sprechenden Ringspalt (12) münden.
10. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Bereiche eines Ringspaltes (12), die radial einwärts der Anströmkanten (16) der Leitschaufein (4) angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen (22) münden als in andere Bereiche des Ringspaltes (12) .
11. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die in den Schaufelplattformen (11) der Leitschaufein (4) der ersten Leitschaufeistufe ausgebildete Kühlluftbohrungen (22) umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühl- luftbohrungsgruppen definieren.
12. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlluftbohrungen (22) jeder Kühlluftbohrungsgruppe identisch positioniert sind.
13. Gasturbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplatt formen (11) der Leitschaufein (4) der ersten Leitschaufel- stufe mit Filmkühlungslöchern (19) versehen sind, die im eingebauten Zustand der Leitschaufein (4) fluidtechnisch mit einem der Kühlluftzuführkanäle (14,15) verbunden sind.
14. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
an den Schaufelplattformen (11) der Leitschaufein (4) der ersten Leitschaufeistufe mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche (20) angeordnet sind, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von einem der Kühl luftzuführkanäle (14,15) kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern (19) zu gelangen.
15. Gasturbinenanlage (1) nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass
jedes der Prallbleche (20) derart ausgebildet und angeord net ist, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern (19) ein Zwischenraum (21) vorhanden ist.
16. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
einige der Kühlluftbohrungen (22) derart angeordnet sind, dass diese in den Zwischenraum (21) münden.
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