Beschreibung
Kühlluftverteilung in einer Turbinenstufe einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer ersten Stufe einer Gasturbine mit einer ersten Leitschaufel und einer ersten Laufschaufel mittels Luft mit einer ersten Kühlluftzuführung an der zu kühlenden Leitschaufel. Die Kuhlluftzufuhrung weist dabei eine erste Kühlluftversorgung auf, die einen ersten Druck hat.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei einer Gasturbine wird zum einen versucht, möglichst hohe Gaseintrittstemperaturen zu erzielen und zum anderen die zur Kühlung notwendige Kühlluft für Leitschaufeln und Laufschaufeln einer Stufe wegen des dadurch verursachten Wirkungsgradverlustes so gering wie möglich zu halten. Leit- und Laufschaufeln sind jeweils in einem entsprechenden Schaufelkranz angeordnet.
Die Turbinenleitschaufein werden stufenweise mit Kühlluft versorgt, wobei die Kühlluft von verschiedenen Entnahmen aus dem Verdichter der Gasturbine entstammen. Dies ist beispielsweise in der Firmenbroschüre „Die 3A-Gasturbinen-Familie von Siemens", Siemens Aktiengesellschaft, Bestell-Nr. A96001-U10- A281, Februar 1995, beschrieben. Zur Kühlung der Stufe und insbesondere der Turbinenleitschaufel wird daher ein bestimmtes Druckgefälle vorausgesetzt, welches den notwendigen Druck der jeweiligen Entnahme bestimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlluftmenge für eine Turbinenstufe und insbesondere für einen Leitschaufelkranz gering zu halten, um einen hohen Wirkungsgrad der Gasturbine zu erreichen.
Diese Aufgabe wird mit einer Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen sind in den jeweils abhangigen Ansprüchen angegeben.
Die neue Kuhlvorrichtung zur Kühlung einer ersten Stufe einer Gasturbine mit einem ersten Leitschaufelkranz und einem ersten Laufschaufelkranz mittels Luft mit einer ersten Kuhlluftzufuhrung an dem zu kühlenden Leitschaufelkranz, wobei die Kuhlluftzufuhrung eine erste Kuhlluftversorgung mit einem ersten Druck aufweist, weist erfindungsgemaß eine zweite Kuhlluftzufuhrung zur Kühlung der ersten Stufe stromabwärts von der ersten Kuhlluftzufuhrung auf, wobei die zweite Kuhlluftzufuhrung mit einem zweiten Druck versorgt wird, der geringer als der erste Druck ist. Aus dieser Ausgestaltung der Kuhlvorrichtung folgt, daß nun eine Stufe unterschiedliche Kuhlluftbereiche aufweist. Dadurch gelingt es, daß nur dort ein erhöhtes Druckgefalle der Kuhlluft vorliegt, wo es in der Stufe benotigt wird, nämlich insbesondere im Bereich des Kuhllufteintritts in die Turbinenleitschaufel . In den anderen Bereichen, in denen die Kuhlluft hauptsachlich in der Funk- tion von Sperrluft eingesetzt wird, wird nun nicht mehr ein hohes Druckgefalle erzeugt. Vielmehr ermöglicht die zweite Kuhlluftzufuhrung mit dem geringeren zweiten Druck eine ausreichende Kühlung mit geringerem Leckageluftmassenstrom. Dies fuhrt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbine ge- genuber einer Kuhlluftversorgung, bei der die erste Turbinenstufe nach der Brennkammer vom Eintritt Turbinenleitschau- fel Nr. 1 bis hintere Verhakung Fuhrungsnng vollständig mit Verdichterendluft betrieben wird und die nachfolgende zweite Turbinenstufe vom Eintritt Turbinenleitschaufel Nr. 2 bis vordere Verhakung Turbinenleitschaufel Nr. 3 mit Luft aus der Entnahme Nr. 3 des Verdichters gekühlt wird. Hierbei liegt bei beiden Stufen nämlich jeweils der Kuhllufteintritt stromaufwärts der Leitschaufel, d.h. bei dem noch nicht über die Stufe abgebauten, hohen Druck.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die zweite Kuhlluftzufuhrung nach einem Drittel, insbesondere
nach der Hälfte der axialen Länge, d.h. in Richtung der Rotationsachse der Gasturbine gesehen, des Leitschaufelkranzes an diesem angeordnet ist. Die stromaufwärtigen, besonders stark temperaturbelasteten Bereiche der Leitschaufeln werden über die erste Kühlluftzuführung entsprechend dem aus der ersten Kühlluftversorgung stammenden Massenstrom genügend gekühlt, so daß stromabwärtige Bereiche ohne Funktionsbeeinträchtigung über die zweite Kühlluftzuführung mit niedrigerem Druck ausreichend gekühlt werden. Die zweite KühlluftZuführung weist dazu vorteilhafterweise eine zweite Kühlluftversorgung auf, die von der ersten Kühlluftversorgung getrennt ist. Beispielsweise sind die erste und die zweite Kühlluftversorgung jeweils unterschiedliche Entnahmestellen aus dem Gasturbinenverdichter.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Kühlluftzuführung über einen Druckminderer mit der ersten Kühlluftversorgung verbunden. Der Druckminderer sorgt dafür, daß der Kühlluftmassenstrom der zweiten Kühlluftzufüh- rung möglichst gering aber wohldosiert ist. Zweckmäßig ist es daher, den Druckminderer regelbar auszuführen. Dieses ermöglicht vor allem auch, daß der zweite Druck gerade noch einen derartigen Wert aufweist, daß die über die zweite Kühlluftversorgung zugeführte Luft noch als Sperrluft wirkt. Durch diese nur äußerst geringe vorliegende Druckdifferenz der
Kühlluft gegenüber dem Heißgasdruck im Inneren der Gasturbine fällt daher der eingesetzte Kühlluftmassenstrom sowie der damit verbundene Wirkungsgradverlust ebenfalls gering aus. Als Druckdifferenz sind dabei Werte von 2 bar, insbesondere Werte um 1 bar oder noch weniger einstellbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dient die zweite Kühlluftzuführung der ersten Stufe auch als eine erste Kühlluftzuführung für eine der ersten Stufe stromabwärts fol- gende zweiten Stufe. Bevorzugt wird dabei diese Kuhlluftzufuhrung für die Kühlung eines Leitschaufelkranzes der zweiten Stufe eingesetzt. Einerseits gelingt es dadurch, die Anzahl
der notwendigen Entnahmen und damit den Konstruktionsaufwand gering zu halten. Andererseits läßt sich durch Verminderung der Druckdifferenz der notwendige Kühlluftmassenstrom wiederum gering halten.
Eine Ausgestaltung, welche insbesondere für eine Gasturbine mit einer Ringbrennkammer günstig ist, weist eine Leitschaufel mit einer ersten Kammer für die erste Kühlluftversorgung und einer zweiten Kammer für die zweite Kühlluftversorgung auf, die beide benachbart sind und an einen Träger für die
Leitschaufel angrenzen. Die erste und die zweite Kammer werden dabei vorteilhafterweise durch eine Wand voneinander getrennt, wobei die Wand in den Leitschaufelträger und die Leitschaufel eingesetzt ist. Dazu sind vorzugsweise im Leit- schaufelträger Nuten eingedreht sowie beim Gießen der Leitschaufel an diese ein Wulst mitangegossen. Zwischen den Kammern ist vorzugsweise ein axiales Sperrblech als Wand einsetzbar, welches auch nachträglich einbaubar ist und eine einzige vorhandene Kammer dann in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Merkmale der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlung einer Gasturbine und
Fig. 2 ein Diagramm mit einem Vergleich des Druckverlaufes mit Darstellung des bisher im Stand der Technik verwendeten Druckgefälles und eines erfindungsgemäßen gestuften Druckgefälles.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Ausschnittes einer Gasturbine 1 in einem Längsschnitt. Dargestellt sind eine erste Stufe 2 mit einem ersten Leitschaufelkranz 3 und
einem ersten Laufschaufelkranz 4, eine zweite Stufe 5 mit einem zweiten Leitschaufelkranz 6 sowie einer dritten Stufe 7 mit einem dritten Leitschaufelkranz 8. Bei der zweiten Stufe 5 und der dritten Stufe 7 sind die jeweiligen Laufschaufeln nicht dargestellt. An der ersten Leitschaufel 3 befinden sich eine erste Kammer 9 sowie eine zweite Kammer 10. Zwischen diesen beiden Kammern 9, 10 ist eine Wand 11 angeordnet, die in die Leitschaufel 3 bzw. einen Leitschaufelträger 12 eingesetzt wird. Über eine erste Kühlluftversorgung 13 wird die erste Kammer 9 mit einem ersten Kühlluftmassenstrom 14 versorgt, welcher als Pfeil dargestellt ist. Der erste Kühlluftmassenstrom 14 folgt dabei dem Weg, der ihm durch die erste Kühlluftzuführung 15 vorgegeben ist, bis in die erste Stufe 2 hinein. Die erste KühlluftZuführung 15 weist in diesem Bei- spiel auch Strömungskanäle in der ersten Leitschaufel 3 selbst auf. Die zweite Kammer 10 wird aus einer zweiten Kühlluftversorgung 16 mittels der zweiten Kühlluftzuführung 17 mit einem zweiten Kühlluftmassenstrom 18 versorgt. Der erste Kühlluftmassenstrom 14 weist einen höheren Druck auf als der zweite Kühlluftmassenstrom 18. Die erste Kühlluftversorgung
13 wird mit Verdichterendluft betrieben, die zweite Kühlluftversorgung 16 dagegen mit Verdichterluft aus einer Entnahme aus dem nicht dargestellten Verdichter. Auf diese Weise wird die erste Leitschaufel 3 mit zwei unterschiedlichen Drücken beaufschlagt und gekühlt. Die verwendeten Drücke sind dabei so ausgelegt, daß eine Funktion der jeweiligen Kühlluft als Sperrluft jederzeit gewährleistet ist. Die der ersten Leitschaufel 3 nachfolgende Laufschaufel 4 wird ebenfalls gekühlt, wobei der dafür verwendete dritte Kühlluftmassenstrom 19 vorteilhafterweise auch aus der zweiten Kühlluftversorgung 16 stammt.
In Fig. 1 ist weiterhin die zweite Stufe 5 mit der zweiten Leitschaufel 6 dargestellt. Auch hier wird die Leitschaufel 6 jeweils mit unterschiedlichen Kühlluftmassenströmen beaufschlagt, was durch die Pfeile angedeutet ist. Die Kühlluft- massenströme durchqueren dabei ebenfalls jeweils eine Kammer.
Die beiden Kammern sind wiederum durch eine Wand 11 voneinander getrennt. Die Wand 11 ist vorteilhafterweise so angeordnet, daß sie etwa auf der Hälfte der axialen Länge L der Leitschaufel 6 angeordnet ist. Zwischen der ersten Kühl- luftzuführung 15 und der zweiten Kühlluftzuführung 17 der zweiten Leitschaufel 6 ist weiterhin ein Druckminderer 20 angeordnet. Über diesen ist es möglich, daß aus der ersten Kühlluftzuführung 15 ein Kühlluftmassenstrom in die zweite Kühlluftzuführung 17 überströmt. Der durch die zweite Kühl- luftzuführung 17 strömende Kühlluftmassentrom versorgt daher nicht nur die zweite Leitschaufel 6 sondern dient ebenfalls zur Kühlung der nachfolgenden dritten Leitschaufel 8 der dritten Stufe 7. Der entsprechende vierte Kühlluftmassenstrom 21 zur Kühlung der dritten Leitschaufel 8 ist wiederum als Pfeil angedeutet. Durch diese Aufgliederung der Kuhlluftzufuhrung über die Stufe und insbesondere über die Leitschaufeln läßt sich somit der verwendete Kühlluftmassenstrom verringern, genauso wie das notwendige Druckgefälle absenken. Dieses wird im folgenden näher erläutert.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm den Druckverlauf 22 in einer Gasturbine. Auf der Y-Achse ist der Druck aufgetragen, auf der X-Achse der Ort, an dem sich der jeweilige Druck in der Gasturbine befindet. Der Nullpunkt des Diagrammes fällt mit dem Turbineneintritt zusammen. Dann folgt die Turbinenleit- schaufel, abgekürzt TLE, anschließend die Turbinenlaufschaufel, abgekürzt TLA, jeweils gekennzeichnet mit der eine Stufe charakterisierenden Ziffer. Die mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichnete Druckhöhe stellt den Verdichterenddruck dar, der gleichzeitig denjenigen Kühlluftmassenstromdruck darstellt, welcher im Turbineneintritt verwendet wird. Das vergleichsweise herangezogene Kühlkonzept sieht eine Verdichterenddruckverwendung bis nach der Laufschaufei 1 (TLA1) vor. Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept wird nach der Hälfte der axialen Länge 2 der Leitschaufel TLEl ein Kühlluftmassenstrom mit einem anderen, niedrigerem Druck verwendet. Dieses entspricht dem Druckwert entsprechend dem Bezugszeichen 24.
In bezug zur Fig. 1 wird also der erste Kühlluftmassenstrom 14 mit dem Verdichterenddruck 23 als erstem Druck und der zweite Kühlluftmassenstrom 18 mit dem Druckwert 24 als zweitem Druck geliefert. "*Das von links oben nach rechts unten ge- strichelt markierte Karree 25 im Diagramm kennzeichnet diejenige Einsparung, die sich aufgrund des gegenüber dem Stand der Technik geänderten (eingesparten) Druckgefälles ergibt. Das von links unten nach rechts oben gestrichelt markierte Karree 26 stellt das zusätzliche Druckgefälle dar, welches sich aufgrund der geänderten Zuführung von Kühlluft ergibt. Der Gewinn an Druckgefälle ergibt sich daher aus der Differenz der Flächen der von links oben nach rechts unten gestrichelt markierten Karrees 25 zu den Flächen der von links unten nach rechts oben gestrichelt markierten Karrees 26. Der zwischen dem Druckverlauf 22 in der Gasturbine 1 und den jeweiligen Untergrenzen der Karrees 25, 26 verbleibende Druck dient dabei als Sperrdruck. Der Sperrdruck ist der bei der Kühlluftzuführung herrschende Überdruck gegenüber dem in der Gasturbine 1 herrschenden Druck 22. Das dafür sich ergebende Druckgefälle ist gegenüber dem Stand der Technik deutlich geringer. Für die der ersten Stufe 2 nachfolgenden Stufen 5, 7 ergibt sich entsprechendes, was durch weitere Karrees 25, 26 angedeutet ist. Die mit schrägen Strichen gekennzeichnete Fläche oberhalb des Druckverlaufes 22 in der Turbine bezeich- net das gegenüber dem Verdichterenddruck 23 eingesparte
Druckgefälle gegenüber dem jeweiligen Druckverlauf 22 in der Gasturbine 1. Entsprechend dem Konzept, nun zwei verschiedene Drücke über der Leitschaufel 3 zu verwenden, ergibt sich außerdem als Vorteil, daß der hintere Teil der Leitschaufel 3 und der entsprechende Führungsring mit kälterer Luft gekühlt wird als der vordere Teil, der mit Luft unter höherem Druck gekühlt wird.
Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, die Aufwendungen für die Kühlung der Stufen einer Gasturbine erheblich zu vermindern und trägt damit dazu bei, den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen.