EP3976934B1 - Verfahren zur modernisierung einer gasturbinenanlage sowie gasturbinenanlage - Google Patents

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EP3976934B1
EP3976934B1 EP20739891.8A EP20739891A EP3976934B1 EP 3976934 B1 EP3976934 B1 EP 3976934B1 EP 20739891 A EP20739891 A EP 20739891A EP 3976934 B1 EP3976934 B1 EP 3976934B1
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EP
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cooling
guide vanes
air
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 modernizing 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, which is arranged downstream of the combustion chamber and comprises guide vanes and rotor blades.
  • Those heat shield elements that are held in the downstream direction directly in front of the gas turbine on the outside of a stationary annular support structure, and blade platforms of the guide vanes of a first guide vane stage held on a stationary support structure define between them a radially inner and a radially outer annular gap due to the design.
  • Cooling air is introduced into these annular gaps via cooling air supply ducts, which supply the guide vanes of the first guide vane stage with cooling air, in order to prevent overheating in particular of the supporting structure, the supporting structure and the areas of said vane platforms facing the annular gap.
  • the introduction of the cooling air into the annular gap usually takes place in the axial direction via cooling air openings formed on the face side of the heat shield elements and distributed uniformly over the circumference of the annular gap. In other words, the cooling air that is used to cool the heat shield elements is also used to cool the annular gap.
  • inhomogeneous pressure fields form in the area of the annular gaps, which are primarily caused by the fact that the hot gas flowing from the combustion chamber into the gas turbine is in the area of the leading edges of the blade leaves of the guide vanes of the first vane stage jams.
  • These inhomogeneous pressure fields have pressure maxima in the area of the leading edges, which cause the hot gas to penetrate into the annular gaps in the area of the leading edges.
  • EP2754858A1 , US2018/195400A1 and US8118554B1 each disclose a gas turbine system with a combustion chamber lined with heat shield elements, with guide vanes arranged downstream, with blade platforms of the guide vanes held on a stationary support structure, the blade platforms being provided with cooling air bores for cooling the guide vanes, the cooling air being fluidically connected to a cooling air supply duct and an annular gap .
  • EP0902164 discloses vanes as turbine inlet vanes.
  • the present invention provides a method for modernizing a gas turbine system that has a combustion chamber lined with heat shield elements and a gas turbine that is arranged downstream of the combustion chamber and includes guide vanes and rotor blades, with those heat shield elements that are located immediately upstream of the gas turbine on the outside of a fixed support structure, and vane platforms of the guide vanes of a first guide vane stage held on one and another fixed support structure define annular gaps between them, the method having the steps of: a) removing all guide vanes of the first guide vane stage; b) Replacing the removed guide vanes of the first guide vane stage with new or overhauled guide vanes, with the platforms of the new or overhauled guide vane being provided with cooling air bores for the first time, which fluidically connect a cooling air supply duct supplying cooling air to the guide vanes of the first guide vane stage with one of the annular gaps and into the corresponding annular gap flow, and The cooling air bores are arranged such that more cooling air bores open into areas of
  • the modernization method according to the invention is applied to gas turbine systems that do not yet have any additional cooling in sections of the annular gaps in the area of the leading edges of the guide vanes of the first guide vane stage or the pressure maxima caused by them, there is a particular advantage in that there is no cutting to produce the cooling air bores Working in situ or on components that are difficult to dismantle, such as must be carried out on the supporting structure in particular, thereby avoiding unnecessary contamination of the gas turbine plant during the implementation of the modernization process. Rather, thanks to the fact that these are provided on one or both blade platforms of the relevant guide vanes, the cooling air bores can be produced outside of the gas turbine system when new guide vanes are produced or when old guide vanes are overhauled.
  • the cooling air ducts extending through the support structure are preferably at least partially closed after step a) has been carried out and before step b) has been carried out, with all cooling air ducts in particular being closed.
  • the positions of the cooling air outlet openings are correct of the cooling channels formed in the support structure no longer correspond to the positions of the pressure maxima, which is why it is no longer possible to reliably prevent hot gas from penetrating into the annular gaps in the area of the leading edges of the guide vanes.
  • the present invention proposes replacing the cooling previously effected by these cooling ducts at least partially, preferably completely, with 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 airfoil platforms of the new or refurbished vanes define circumferentially spaced sets of cooling air bores, resulting in ease of manufacture of the vanes.
  • surfaces of the blade platforms of the vanes removed in step a) that point in the radial direction are provided with film cooling holes that are fluidically connected to one of the cooling air supply channels when the vanes are installed, and surfaces of the blade platforms that point in the radial direction of the in step b) installed new guide vanes are provided with film cooling holes which are fluidically connected to one of the cooling air supply ducts when the guide vanes are installed, the number of film cooling holes of the new or overhauled guide vanes being less than the number of film cooling holes of the guide vanes removed in step a).
  • the cooling air mass flow saved by reducing the film cooling holes can then be directed in whole or in part through the cooling air holes formed in the airfoil platforms of the new or refurbished vanes.
  • Baffle plates provided with through holes are preferably arranged on blade platforms of the new or overhauled guide vanes, which are designed and arranged in such a way that the cooling air coming from the corresponding cooling air supply duct must pass them in order to reach the film cooling holes. Improved cooling is achieved with such baffle plates.
  • each of the baffles is designed and arranged in such a way that a gap remains between it and the film cooling holes (16).
  • cooling air holes formed in the blade platforms of the new or refurbished vanes are arranged to open into the gap.
  • the present invention creates a gas turbine plant which has a combustor lined with heat shield elements and a gas turbine which is arranged downstream of the combustor and comprises guide vanes and rotating blades, with those heat shield elements which are held in the downstream direction immediately in front of the gas turbine on the outside of a stationary support structure, and on blade platforms of the guide vanes of a first guide vane stage, which are held in one and another stationary support structure, define annular gaps between them, wherein blade platforms of the guide vanes are provided with cooling air bores, which fluidly connect a cooling air supply duct supplying the guide vanes of the first guide vane stage with cooling air to one of the annular gaps and into the corresponding annular gap open out, while facing in the radial direction surfaces of the vane platforms of the guide vanes of the first guide vane stage are provided with film cooling holes, which are fluidically connected to one of the cooling air supply channels when the vanes are installed.
  • More cooling air bores preferably open into regions of an annular gap which are arranged radially inward of the leading edges of the guide vanes than into other regions of the annular gap.
  • the cooling air bores formed in the vane platforms of the guide vanes of the first guide vane stage define circumferentially spaced groups of cooling air bores.
  • the cooling air holes of each cooling air hole group are positioned identically.
  • baffles provided with through holes are arranged on the blade platforms of the guide vanes of the first guide vane stage.
  • Each of the baffles is preferably constructed and arranged such that there is a gap 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 intermediate space.
  • the gas turbine system 1 shown 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 vane platforms 11 of the guide vanes 4 of the first guide vane stage, which are held on the stationary support structure 7 on the one hand and on a further stationary support structure 10 on the other hand, define annular gaps 12 between them cooling air openings 13 which extend in the axial direction A and are distributed uniformly over the circumference of the annular gaps 12 in the circumferential direction U and which obtain cooling air via cooling air supply ducts 14 , 15 .
  • the annular gap 12 is cooled via these cooling air openings 13 with cooling air that was previously used to cool the heat shield elements 2 .
  • cooling air ducts 17 extending from the corresponding cooling air supply duct 14, 15 through the supporting structures 7 and 8. These cooling air ducts 17 serve to prevent the entry of Prevent hot gas in the annular gap 12 due to an inhomogeneous pressure distribution in the annular gap 12.
  • This inhomogeneous pressure distribution is caused by the fact that the hot gas accumulates at the leading edges 16 of the guide vanes 4 of the first guide vane stage when it enters the gas turbine 6, as a result of which pressure maxima are generated in the area of the leading edges 16, as a result of which the hot gas is pressed into the annular gaps 12.
  • the guide vane 4 shown which is one of several identically designed guide vanes 4 of the first guide vane stage, is provided with a large number of film cooling holes 19 on the surfaces pointing in the radial direction R.
  • baffle plates 20, not shown provided with through holes, which are designed and arranged in such a way that the cooling air coming from the cooling air supply ducts 14, 15 must be passed through them in order to reach the film cooling holes 19, with between a baffle plate 20 and the film cooling holes 19 an intermediate space 21 is present in each case on a blade platform 11 .
  • the guide vanes 4 must be replaced.
  • the removed guide vanes 4 of the first guide vane stage are replaced by new guide vanes 4.
  • the cooling air ducts 17 extending through the supporting structures 7, 8 also no longer open at the correct positions in order to be able to effectively counteract penetration of hot gas into the annular gaps 12 in the region of the leading edges 16 of the guide vanes 4.
  • the blade platforms 11 of the new vanes 4, one of which in the figures 4 and 5 is shown provided with cooling air bores 22 which fluidly connect the cooling air supply duct 14, 15 with the annular gaps 12 and open into the annular gaps 12.
  • These cooling air bores 22 are arranged in such a way that more cooling air bores 22 open into areas of the annular gaps 12 that are arranged radially in relation to the leading edges 16 of the guide vanes 4 than in other areas of the annular gaps 12.
  • cooling air bores 22 therefore assume the function of the cooling air ducts 17
  • six cooling air bores 22 are provided on each blade platform 11 .
  • the other three cooling air bores 22 enclose an angle ⁇ in the range between 15°-28° with the axial direction and open in the direction of flow of the cooling air in front of the baffle plate 20.
  • the angles ⁇ and ⁇ can have values depending on the design of the guide vane in the range between 0° and 30°.
  • the new guide vanes 4 are provided with film cooling holes 19, but the number of them is smaller than the number of film cooling holes 19 of the removed guide vanes 4.
  • the new guide vanes show 4 fewer film cooling holes 19 than the old guide vanes 4, as can be seen by comparing the Figures 3 and 4 emerges.
  • 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 supporting 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 significant 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 supporting structures 7, 8 in order to direct the cooling air supply into the annular gaps 12 at the changing positions of the leading edges 16 of the guide vanes 4 and thus adapt to the maximum pressure.
  • no machining operations have to be carried out in situ or on components of the gas turbine system 1 that are difficult to dismantle. Rather, the cooling air bores 22 can be made 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 cooling air ducts 17 that counteract penetration of hot gas into the annular gaps 12 in the area of the leading edges 16 of the guide vanes 4 . Accordingly, the installation of the new guide vanes 4 provides for the first time a corresponding countermeasure against the ingress of hot air due to inhomogeneous pressure distribution, 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 modernizing gas turbine plant 1 is. Furthermore, it should be clear that the positions, the orientations and the number of the cooling air bores 22 of the new guide vanes 4 can vary.

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

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modernisierung einer Gasturbinenanlage. Ferner betrifft die Erfindung eine Gasturbinenanlage.
  • Gasturbinenanlagen sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. Sie umfassen eine mit Hitzeschildelementen ausgekleidete Brennkammer und eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufeln und Laufschaufeln umfassende Gasturbine. Diejenigen Hitzeschildelemente, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gas-turbine an der Außenseite einer ortsfesten ringförmigen Tragstruktur gehalten sind, und an einer ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufeln einer ersten Leitschaufelstufe definieren zwischen sich konstruktionsbedingt einen radial inneren und einen radial äußeren Ringspalt. In diese Ringspalte wird über Kühlluftzuführkanäle, welche die Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe mit Kühlluft versorgen, Kühlluft eingeleitet, um einer Überhitzung insbesondere der Tragstruktur, der Tragstruktur und der dem Ringspalt zugewandten Bereiche besagter Schaufelplattformen vorzubeugen. Die Einleitung der Kühlluft in den Ringspalt erfolgt meist in axialer Richtung über stirnseitig an den Hitzeschildelementen ausgebildete, gleichmäßig über den Umfang des Ringspalts verteilte Kühlluftöffnungen. Mit anderen Worten wird diejenige Kühlluft, die zum Kühlen der Hitzeschildelemente eingesetzt wird, zusätzlich auch zur Kühlung des Ringspalts verwendet.
  • Es hat sich herausgestellt, dass sich während des Betriebs einer solchen Gasturbinenanlage inhomogene Druckfelder im Bereich 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 Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe staut. Diese inhomogenen Druckfelder weisen im Bereich der Anströmkanten Druckmaxima auf, die dazu führen, dass das Heißgas im Bereich der Anströmkanten in die Ringspalte eindringt. Vor diesem Hintergrund ist es ferner bekannt, die Tragstruktur mit Kühlluftkanälen zu versehen, die jeweils einen Kühlluftzuführkanal mit einem der Ringspalte fluidtechnisch verbinden und radial einwärts der Anströmkanten der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe in den entsprechenden Ringspalt münden. Die durch diese Kühlluftkanäle geleitete Kühlluft tritt somit jeweils im Bereich der Druckmaxima in den entsprechenden Ringspalt ein und erzeugt Kühlluftströme, die ein Eindringen von Heißluft in den Ringspalt im Bereich der Druckmaxima bzw. im Bereich der Anströmkanten der Leitschaufeln verhindern. EP2754858A1 , US2018/195400A1 und US8118554B1 offenbaren jeweils eine Gasturbinenanlage mit einer mit Hitzeschildelementen ausgekleideten Brennkammer, mit stromabwärts angeordneten Leitschaufeln, mit an einer ortsfesten Tragstruktur gehaltenen Schaufelplattformen der Leitschaufeln, wobei die Schaufelplattformen mit Kühlluftbohrungen versehen sind zur Kühlung der Leitschaufeln, wobei die Kühlluft fluidtechnisch mit einem Kühlluftzufuhrkanal und einem Ringspalt verbunden ist. EP0902164 offenbart Leitschaufeln als Turbineneintrittsleitschaufeln.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbinenanlage mit alternativem 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, Leitschaufeln und Laufschaufeln umfassende Gasturbine aufweist, wobei diejenigen Hitzeschildelemente, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine an der Außenseite einer ortsfesten Tragstruktur gehalten sind, und an einer und einer weiteren ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufeln einer ersten Leitschaufelstufe zwischen sich Ringspalte definieren, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Ausbauen sämtlicher Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe; b) Ersetzen der ausgebauten Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe durch neue oder überholte Leitschaufeln, wobei Plattformen der neuen oder überholten Leitschaufel erstmalig mit Kühlluftbohrungen versehen sind, die einen die Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluftzuführkanal 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 Leitschaufeln angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen münden als in andere Bereiche des Ringspaltes oder der Ringspalte.
  • Wird das erfindungsgemäße Modernisierungsverfahren bei Gasturbinenanlagen angewendet, die noch über keine zusätzliche Kühlung in Abschnitten der Ringspalte im Bereich der Anströmkanten der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe 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 Durchführung des Modernisierungsverfahrens verhindert werden. Vielmehr können die Kühlluftbohrungen dank der Tatsache, dass diese an einer oder an beiden Schaufelplattformen der betreffenden Leitschaufeln vorgesehen werden, beim Herstellen neuer Leitschaufeln bzw. beim Überholen alter Leitschaufeln abseits der Gasturbinenanlage gefertigt werden.
  • Wird das erfindungsgemäße Verfahren an einer zu modernisierende Gasturbinenanlage durchgeführt, die bereits sich durch die Tragstruktur erstreckende, jeweils einen der Kühlluftzuführkanäle mit einem der Ringspalte fluidtechnisch miteinander verbindende und in den entsprechenden Ringspalt mündende Kühlluftkanäle aufweist, und stimmt die Anzahl der neuen oder überholten Leitschaufeln nicht mit der Anzahl der ausgebauten Leitschaufeln überein, so werden die sich durch die Tragstruktur erstreckenden Kühlluftkanäle nach Durchführung des Schrittes a) und vor Durchführung des Schrittes b) bevorzugt zumindest teilweise verschlossen, wobei insbesondere sämtliche Kühlluftkanäle verschlossen werden. In Fällen, in denen die Anzahl der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe im Rahmen von Modernisierungsarbeiten verändert, insbesondere verringert werden soll, stimmen die Positionen der Kühlluftaustrittsöffnungen 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 Leitschaufeln 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 Leitschaufeln zu ersetzen. Auf diese Weise wird ebenfalls der Vorteil erzielt, dass spanende Bearbeitungen in situ oder an schwer zu demontierenden Komponenten der Gasturbinenanlage vermieden werden.
  • Bevorzugt definieren die in Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufeln ausgebildeten Kühlluftbohrungen umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftbohrungsgruppen, was zu einer Vereinfachung der Fertigung der Leitschaufeln führt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufeln mit Filmkühlungslöchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschaufeln fluidtechnisch mit einem der Kühlluftzuführkanäle verbunden sind, und in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der in Schritt b) eingebauten neuen Leitschaufeln sind mit Filmkühlungslöchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschaufeln fluidtechnisch mit eine der Kühlluftzuführkanäle verbunden sind, wobei die Anzahl der Filmkühlungslöcher der neuen oder überholten Leitschaufeln geringer ist als die Anzahl der Filmkühlungslöcher der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufeln. Der Kühlluftmassenstrom, der durch die Verringerung der Filmkühlungslöcher eingespart wird, kann dann ganz oder teilweise durch die in den Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufeln ausgebildeten Kühlluftbohrungen geleitet werden.
  • Bevorzugt sind an Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufeln mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche angeordnet, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von dem entsprechenden Kühlluftzuführkanal kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern zu gelangen. Mit derartigen Prallblechen wird eine verbesserte Kühlung erzielt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist jedes der Prallbleche derart ausgebildet und angeordnet, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern (16) ein Zwischenraum verbleibt.
  • Vorteilhaft sind einige der in den Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufeln ausgebildeten Kühlluftbohrungen derart angeordnet, dass sie in den Zwischenraum münden.
  • Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenanlage, die eine mit Hitzeschildelementen ausgekleidete Brennkammer und eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufeln und Laufschaufeln umfassende Gasturbine aufweist, wobei diejenigen Hitzeschildelemente, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine an der Außenseite einer ortsfesten Tragstruktur gehalten sind, und an einer und einer weiteren ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufeln einer ersten Leitschaufelstufe zwischen sich Ringspalte definieren, wobei Schaufelplattformen der Leitschaufeln mit Kühlluftbohrungen versehen sind, die jeweils einen die Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluftzuführkanal mit einem der Ringspalte fluidtechnisch verbinden und in den entsprechenden Ringspalt münden, dabei sind in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe mit Filmkühlungslöchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschaufeln fluidtechnisch mit einem der Kühlluftzuführkanäle verbunden sind.
  • Bevorzugt münden in Bereiche eines Ringspaltes, die radial einwärts der Anströmkanten der Leitschaufeln angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen als in andere Bereiche des Ringspaltes.
  • Vorteilhaft definieren die in den Schaufelplattformen der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe ausgebildete Kühlluftbohrungen umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftbohrungsgruppen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Kühlluftbohrungen jeder Kühlluftbohrungsgruppe identisch positioniert.
  • An den Schaufelplattformen der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe sind vorteilhaft mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche angeordnet, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von einem der Kühlluftzuführkanäle 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 angeordnet, dass einige der Kühlluftbohrungen in den Zwischenraum münden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden 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 Teilbereiches einer Gasturbinenanlage;
    Figur 2
    eine Teilansicht in Richtung der Pfeile II in Figur 1;
    Figur 3
    eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufel einer ersten Leitschaufelstufe der in Figur 1 gezeigten Gasturbinenanlage, bei der ein Prallblech nicht dargestellt ist;
    Figur 4
    eine perspektivische Ansicht einer neuen oder überholten Leitschaufel, 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, Leitschaufeln 4 und Laufschaufeln 5 umfassende Gasturbine 6. Diejenigen Hitzeschildelemente 2, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine 6 an der Außenseite einer ortsfesten Tragstruktur 7, 8 gehalten sind, und an der ortsfesten Tragstruktur 7 einerseits und an einer weiteren ortsfesten Tragstruktur 10 andererseits gehaltene Schaufelplattformen 11 der Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe definieren zwischen 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 Umfangsrichtung U verteilte Kühlluftöffnungen 13, die Kühlluft über Kühlluftzuführkanäle 14, 15 beziehen. Über diese Kühlluftöffnungen 13 wird der Ringspalt 12 während des Betriebs der Gasturbinenanlage 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 Leitschaufeln 4 radial (Richtung R) angeordnet sind, sich ausgehend von dem entsprechenden Kühlluftzuführkanal 14, 15 durch die Tragstrukturen 7 und 8 erstreckende Kühlluftkanäle 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 Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe staut, wodurch Druckmaxima im Bereich der Anströmkanten 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 Positionen eingeleitet werden, die radial zu den jeweiligen Anströmkanten 16 positioniert sind, wirken diesen Druckmaxima effektiv entgegen. Die vorliegend im Querschnitt U-förmig ausgebildeten, das Schaufelblatt 18 zwischen sich aufnehmenden Schaufelplattformen 11 der in Figur 3 dargestellten Leitschaufel 4, bei der es sich um eine von mehreren identisch ausgebildeten Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe 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 Kühlluftzuführkanälen 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 Modernisierungsverfahrens beispielsweise die Anzahl der Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe reduziert werden, so müssen die Leitschaufeln 4 ausgetauscht werden. Hierzu werden in einem ersten Schritt sämtliche Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe ausgebaut. In einem weiteren Schritt werden die ausgebauten Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe durch neue Leitschaufeln 4 ersetzt. Ein Problem, das damit einhergeht, dass weniger neue Leitschaufeln 4 eingebaut werden als zuvor montiert waren, besteht nun darin, dass sich die Positionen der Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 und damit die Positionen der Druckmaxima der inhomogenen Druckverteilung verändern. Somit münden die sich durch die Tragstrukturen 7, 8 erstreckenden Kühlluftkanäle 17 ebenfalls nicht mehr an den richtigen Positionen, um einem Eindringen von Heißgas in die Ringspalte 12 im Bereich der Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 effektiv entgegenwirken zu können. Zur Lösung dieses Problems sind die Schaufelplattformen 11 der neuen Leitschaufeln 4, von denen eine in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, mit Kühlluftbohrungen 22 versehen, welche die Kühlluftzuführkanal 14, 15 mit den Ringspalten 12 fluidtechnisch verbinden und in die Ringspalte 12 münden. Diese Kühlluftbohrungen 22 sind derart angeordnet, dass in Bereiche der Ringspalte 12, die radial in Bezug auf die Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 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 Kühlluftbohrungen 22, die mit der axialen Richtung A vorliegend einen Winkel α zwischen 5°-10° einschließen, mündet in den Zwischenraum 21, der zwischen der Schaufelplattform 11 und dem Prallblech 20 vorhanden ist, also in Strömungsrichtung der Kühlluft hinter dem Prallblech 20. Die anderen drei Kühlluftbohrungen 22 schließen mit der axialen Richtung vorliegend einen Winkel β im Bereich zwischen 15°-28° ein und münden in Strömungsrichtung der Kühlluft vor dem Prallblech 20. Grundsätzlich können die die Winkel α und β abhängig von der Konstruktion der Leitschaufel Werte im Bereich zwischen 0° und 30° aufweisen. Ferner sind die neuen Leitschaufeln 4 mit Filmkühlungslöchern 19 versehen, wobei jedoch deren Anzahl geringer als die Anzahl der Filmkühllöcher 19 der ausgebauten Leitschaufeln 4 ist. Vorliegend weisen die neuen Leitschaufein 4 weniger Filmkühlungslöcher 19 als die alten Leitschaufeln 4 auf, wie es aus dem Vergleich der Figuren 3 und 4 hervorgeht. 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 Gesamtkühlluftstrom aufgrund der zusätzlichen Kühlluftbohrungen 22 nicht beeinträchtigt wird. Die sich durch die Tragstrukturen 7 und 8 erstreckenden Kühlluftkanäle 17 können belassen werden. Alternativ können sie aber vor der Montage der neuen Leitschaufeln 4 auch verschlossen werden.
  • Ein wesentlicher Vorteil, der mit dem Design der neuen Leitschaufeln 4 einhergeht, besteht darin, dass keine neuen Kühlluftkanäle 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 Leitschaufeln 4 und damit der Druckmaxima anzupassen. Entsprechend 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 Leitschaufeln 4 gefertigt 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 Eindringen von Heißgas in die Ringspalte 12 im Bereich der Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 entgegenwirken. Entsprechend wird durch den Einbau der neuen Leitschaufeln 4 erstmalig eine entsprechende Gegenmaßnahme gegen eindringende Heißluft aufgrund inhomogener Druckverteilung bereitgestellt, und zwar unabhängig davon, ob die Anzahl neuer oder überholter Leitschaufeln 4 kleiner als, gleich der oder größer als die Anzahl der vorhandenen Leitschaufeln 4 der zu modernisierenden Gasturbinenanlage 1 ist. Ferner sollte klar sein, dass die Positionen, die Ausrichtungen und die Anzahl der Kühlluftbohrungen 22 der neuen Leitschaufeln 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 Leitschaufeln 4 auch nur an einer ihrer Schaufelplattformen 11 mit Kühlluftbohrungen 21 versehen seien können, so dass durch die Leitschaufeln 4 nur Kühlluft in einen der beiden Ringspalte 12 geleitet wird.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt sondern allein durch die Ansprüche, und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Modernisierung einer Gasturbinenanlage (1),
    die eine mit Hitzeschildelementen (2) ausgekleidete Brennkammer (3) und
    eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufeln (4) und Laufschaufeln (5) umfassende Gasturbine (6) aufweist,
    wobei diejenigen Hitzeschildelemente (2),
    die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine (6) an der Außenseite einer ortsfesten Tragstruktur (7,8) gehalten sind, und
    an einer und einer weiteren ortsfesten Tragstruktur (7,10) gehaltene Schaufelplattformen (11) der Leitschaufeln (4) einer ersten Leitschaufelstufe zwischen sich Ringspalte (12) definieren,
    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) erstmalig mit Kühlluftbohrungen (22) versehen sind, die einen die Leitschaufeln (4) der ersten Leitschaufelstufe 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 Leitschaufeln (4) angeordnet sind,
    mehr Kühlluftbohrungen (22) münden als in andere Bereiche des Ringspaltes (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 Kühlluftzuführkanäle (14,15) mit einem der Ringspalte (12) fluidtechnisch miteinander verbindende und in den entsprechenden Ringspalt (12) mündende Kühlluftkanäle (17) aufweist, dass die Anzahl der neuen oder überholten Leitschaufeln (4) nicht mit der Anzahl der ausgebauten Leitschaufeln (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 verschlossen werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die in Schaufelplattformen (11) der neuen oder überholten Leitschaufeln (4) ausgebildeten Kühlluftbohrungen (22) umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftbohrungsgruppen 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 Schaufelplattformen (11) der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufeln (4) mit Filmkühlungslöchern (19) versehen sind,
    die im eingebauten Zustand der Leitschaufeln (4) fluidtechnisch mit einem der Kühlluftzuführkanäle (14,15) verbunden sind, und
    dass in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen (11) der in Schritt b) eingebauten neuen Leitschaufeln (4) mit Filmkühlungslöchern (19) versehen sind, die im eingebauten Zustand der Leitschaufeln (4) fluidtechnisch mit eine der Kühlluftzuführkanäle (14,15) verbunden sind,
    wobei die Anzahl der Filmkühlungslöcher (19) der neuen oder überholten Leitschaufeln (4) geringer ist als die Anzahl der Filmkühlungslöcher (19) der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufeln (4).
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Schaufelplattformen (11) der neuen oder überholten Leitschaufeln (4) mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche (20) angeordnet sind, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von dem entsprechenden Kühlluftzuführkanal (14,15) kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern (19) zu gelangen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jedes der Prallbleche (20) derart ausgebildet und angeordnet 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 Leitschaufeln (4) ausgebildeten Kühlluftbohrungen (22) derart angeordnet sind, dass sie in den Zwischenraum (21) münden.
  9. Gasturbinenanlage (1),
    die eine mit Hitzeschildelementen (2) ausgekleidete Brennkammer (3) und eine stromabwärts der Brennkammer (3) angeordnete Leitschaufeln (4) und Laufschaufeln (5) umfassende Gasturbine (6) aufweist,
    wobei diejenigen Hitzeschildelemente (2),
    die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine (6) an der Außenseite einer ortsfesten Tragstruktur (7,8) gehalten sind, und
    an einer und einer weiteren ortsfesten Tragstruktur (7,10) gehaltene Schaufelplattformen (11) der Leitschaufeln (4) einer ersten Leitschaufelstufe zwischen sich Ringspalte (12) definieren,
    wobei Schaufelplattformen (11) der Leitschaufeln (4) mit Kühlluftbohrungen (22) versehen sind,
    die jeweils einen die Leitschaufeln (4) der ersten Leitschaufelstufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluftzuführkanal (14,15) mit einem der Ringspalte (12) fluidtechnisch verbinden und in den entsprechenden Ringspalt (12) münden, wobei in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen (11) der Leitschaufeln (4) der ersten Leitschaufelstufe mit Filmkühlungslöchern (19) versehen sind, die im eingebauten Zustand der Leitschaufeln (4) fluidtechnisch mit einem der Kühlluftzuführkanäle (14,15) verbunden sind.
  10. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in Bereiche eines Ringspaltes (12), die radial einwärts der Anströmkanten (16) der Leitschaufeln (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 Leitschaufeln (4) der ersten Leitschaufelstufe ausgebildete Kühlluftbohrungen (22) umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftbohrungsgruppen definieren.
  12. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühlluftbohrungen (22) jeder Kühlluftbohrungsgruppe identisch positioniert sind.
  13. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an den Schaufelplattformen (11) der Leitschaufeln (4) der ersten Leitschaufelstufe mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche (20) angeordnet sind, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von einem der Kühlluftzuführkanäle (14,15) kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern (19) zu gelangen.
  14. Gasturbinenanlage (1) nach den Ansprüchen 12 und 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jedes der Prallbleche (20) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern (19) ein Zwischenraum (21) vorhanden ist.
  15. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    einige der Kühlluftbohrungen (22) derart angeordnet sind, dass diese in den Zwischenraum (21) münden.
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