DE19541303A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einer Turbinen­ welle und mit einer eine Anzahl von Brennern aufweisenden Brennkammeranordnung.

Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Gene­ ratoren oder Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotati­ onsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in den in die Brennkammer mündenden Brennern verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Durch die Verbrennung des Brennstoffs wird ein unter hohem Druck stehendes Arbeitsmittels mit einer hohen Tempera­ tur erzeugt. Das Arbeitsmittel strömt von der Brennkammer aus einer Turbinenschaufelanordnung zu, die üblicherweise eine Anzahl von Leitschaufeln und eine Anzahl von Laufschaufeln umfaßt. Die Leitschaufeln sind dabei ortsfest mit dein Gehäuse der Turbine verbunden und dienen zur Ausrichtung und Glättung des Strömungsprofils des Arbeitsmittels im Bereich der Turbinenschaufelanordnung. Die Laufschaufeln sind dagegen mit der Turbinenwelle verbunden, so daß ein Impulsübertrag des Arbeitsmittels auf die Laufschaufeln eine Rotationsbewegung der Turbinenwelle erzeugt oder aufrechterhält. Die Leit­ schaufeln und die Laufschaufeln sind dabei zu Leitschaufel- bzw. Laufschaufelsätzen zusammengefaßt, die in abwechselnder Reihenfolge in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels hinter­ einander geschaltet sind.

Die Brenner einer derartigen Gasturbine sind üblicherweise derart angeordnet, daß ihre Hauptachsen auf einer Kegelfläche liegen, deren Symmetrieachse die Hauptachse der Turbinenwelle ist. Die Hauptachse eines Brenners ist dabei definiert durch dessen Hauptflammenrichtung und ist somit orthogonal zu sei­ ner Austrittsebene. Das Strömungsprofil des durch diese Brenner erzeugten Arbeitsmittels weist somit eine meridionale Vorzugsrichtung auf, so daß die Strömung des Arbeitsmittels am Brennkammeraustritt parallel zur Hauptachse der Turbinen­ welle ist.

Beim Betrieb der Gasturbine wird zum Antrieb der Turbinen­ welle ein ausreichend hoher Impulsübertrag auf die Laufschau­ feln benötigt, der jedoch durch eine hauptsächlich meridio­ nale Strömung des Arbeitsmittels nicht erzielbar ist. Daher ist dem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels gesehen er­ sten Laufschaufelsatz üblicherweise ein erster Leitschaufel­ satz vorgeschaltet. Dieser erste Leitschaufelsatz oder Um­ lenkungssatz ist derart ausgelegt, daß das in Richtung der Hauptachse der Turbinenwelle strömende Arbeitsmittel am Um­ lenkungssatz einer tangentialen Beschleunigung ausgesetzt wird und somit eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erhält. Durch diese tangentiale Geschwindigkeitskomponente, die einer zonalen Komponente des Strömungsprofils des Ar­ beitsmittels entspricht, wird ein ausreichender Impulsüber­ trag des Arbeitsmittels auf die Laufschaufeln sichergestellt. Die vom Arbeitsmittel umströmten Leitschaufeln und Laufschau­ feln werden jedoch durch Wärmeaustausch mit diesem aufge­ heizt, so daß beim Betrieb der Gasturbine üblicherweise eine Kühlung der Leitschaufeln und der Laufschaufeln erforderlich ist. Eine derartige Kühlung begrenzt in unerwünschter Weise den Wirkungsgrad der Gasturbine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gastur­ bine mit besonders hohem Wirkungsgrad anzugeben.

Diese Aufgabe wird für eine Gasturbine der obengenannten Art erfindungsgemäß gelöst, indem die Hauptachse jedes Brenners zur Erzeugung eines Dralls eines Arbeitsmittels oder Arbeits­ gases gegenüber der Hauptachse der Turbinenwelle verkippt ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß der Wir­ kungsgrad einer Gasturbine durch eine Verringerung der Um­ lenkverluste in den Leitschaufeln und/oder zu kühlen der Strukturteile gesteigert werden kann. Eine Einsparung von Strukturteilen ist durch einen Verzicht auf den Umlenkungs­ satz oder den in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ersten Leitschaufelsatz hinter der Brennkammer möglich. Um auch ohne den Umlenkungssatz einen für den Betrieb der Gasturbine aus­ reichenden Impulsübertrag des Arbeitsmittels auf die Lauf­ schaufeln zu gewährleisten, sind die Brenner der Gasturbine derart angeordnet, daß die Strömung des Arbeitsmittels beim Verlassen der Brennkammeranordnung zusätzlich zu einer meri­ dionalen Komponente auch eine zonale Komponente aufweist. Dies wird durch die Erzeugung eines Dralls des Arbeitsmittels in der Brennkammer ermöglicht.

Zur Erzeugung eines besonders gut an die Geometrie des ersten Leitschaufelsatzes und des ersten Laufschaufelsatzes anpaßba­ ren Dralls und somit zur Gewährleistung eines besonders ef­ fektiven Impulsübertrags des Arbeitsmittels auf die Lauf­ schaufeln sind die Brenner vorteilhafterweise derart symme­ trisch um die Turbinenwelle herum angeordnet, daß die Haupt­ achsen aller Brenner die gleiche Verkippung gegenüber der Hauptachse der Turbinenwelle aufweisen.

Die Brennkammeranordnung kann eine separate Brennkammer für jeden Brenner umfassen. Für eine derartige Gasturbine ist je­ de Brennkammer zweckmäßigerweise derart ausgeformt, daß der Drall des Arbeitsmittels bei dessen Austritt aus der Brenn­ kammeranordnung erhalten ist.

Vorteilhafterweise ist die Brennkammeranordnung aber eine Ringbrennkammer. Für eine Ringbrennkammer, in die symmetrisch um die Turbinenwelle herum angeordnete Brenner münden, ergibt sich in der Art einer Stufenringbrennkammer, daß die heiße Zone des Flammenkegels jedes Brenners neben einer im Ver­ gleich dazu kälteren Zone des Flammenkegels eines Nachbar­ brenners zu liegen kommt. Daraus resultiert aufgrund eines Wärmeaustauschs durch Strahlung ein Temperaturausgleich zwi­ schen den Flammenkegeln der Brenner, der die Gleichmäßigkeit des Ausbrandes steigert. Eine derartige Stufenringbrennkammer weist somit eine "weiche" Flamme ohne Pulsationsstörungen und mit vollständigem Ausbrand auf. Eine bei geringeren Spitzen­ temperaturen verbesserte Verbrennung resultiert insbesondere auch in einem geringeren NO_x-Gehalt des Abgases, so daß eine derartige Gasturbine zudem besonders umweltfreundlich be­ treibbar ist. Darüber hinaus ist auch ein Anfahrvorgang einer derartigen Gasturbine mit Stufenringbrennkammer besonders un­ problematisch, da durch den Wärmeaustausch zwischen kalten Zonen und benachbarten heißen Zonen eine besonders sichere Flammenhaltung gewährleistet ist.

Um die Gasturbine bei verschiedenen Lastzuständen, insbeson­ dere aber während des Anfahrvorgangs, mit besonders hohem Wirkungsgrad betreiben zu können, ist der Brennkammeranord­ nung vorteilhafterweise in Strömungsrichtung des Arbeitsmit­ tels eine Anzahl modulierbarer Leitschaufeln nachgeschaltet. Bei Vollastbetrieb der Gasturbine, für den der erzeugte Drall des Arbeitsmittels zur Optimierung des Impulsübertrags auf die Laufschaufeln ausgelegt ist, sind die modulierbaren Leit­ schaufeln aus dem Strömungsbereich des Arbeitsmittels ent­ fernt. Im Teillastbetrieb oder auch im Anfahrbetrieb der Gasturbine, bei dem der Drall des Arbeitsmittels aus Ausle­ gungsgründen möglicherweise nicht den bestmöglichen Impuls­ übertrag auf die Laufschaufeln gewährleistet, sind die modu­ lierbaren Leitschaufeln zur Modulierung und somit zur Anpas­ sung der Tangentialgeschwindigkeitskomponente des Arbeitsmit­ tels an den Betriebszustand der Gasturbine im Strömungsbe­ reich des Arbeitsmittels angeordnet. Dazu ist die oder jede modulierbare Leitschaufel zweckmäßigerweise in ein Gehäuse­ segment der Gasturbine versenkbar.

Um eine besonders wirkungsvolle Anpassung der Tangentialge­ schwindigkeitskomponente des Arbeitsmittels an den Betriebs­ zustand der Gasturbine zu ermöglichen, ist in weiterer vor­ teilhafter Ausgestaltung der Anströmwinkel jeder modulierba­ ren Leitschaufel variierbar.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch die Erzeugung eines Dralls des Arbeits­ mittels in der Brennkammeranordnung der Gasturbine eine für einen besonders effektiven Impulsübertrag des Arbeitsmittels auf die Laufschaufeln der Gasturbine bei Vollastbetrieb aus­ gelegte Tangentialgeschwindigkeitskomponente des Arbeitsmit­ tels eingestellt oder generiert wird. Nach dem Drallsatz bleibt ein derartiger in der Brennkammer erzeugter Drall des Arbeitsmittels auch beim Ausströmen des Arbeitsmittels aus der Brennkammer erhalten, so daß eine für eine gute Impuls­ übertragung auf die Laufschaufeln der Gasturbine erforderli­ che tangentiale Geschwindigkeitskomponente des Arbeitsmittels im Bereich der Laufschaufeln auch ohne den ersten Leit­ schaufelsatz gewährleistet ist. Durch die Verkippung der Hauptachse jedes Brenners gegenüber der Hauptachse der Turbi­ nenwelle ist die Erzeugung eines derartigen Dralls mit beson­ ders einfachen Mitteln und besonders zuverlässig gewährlei­ stet.

Eine Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Gasturbine mit einer Anzahl von Brennern im Längsschnitt bzw. in Seitenansicht,

Fig. 3 schematisch die Anordnung der Brenner in einer Ringbrennkammer der Gasturbine, und

Fig. 4 im Ausschnitt den Ausströmungsbereich der Ring­ brennkammer.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugs­ zeichen versehen.

Die Gasturbine 1, die in Fig. 1 schematisch im Längsschnitt und in Fig. 2 schematisch in Seitenansicht dargestellt ist, umfaßt eine Turbinenwelle 2 und eine Brennkammeranordnung 4 mit einer Anzahl von Brennern 6 mit jeweils einem Brennerkopf 7. Jeder Brenner 6 weist eine durch die Pfeile 8 angedeutete Hauptachse auf, die beim Betrieb des jeweiligen Brenners 6 die Vorzugsrichtung von dessen Brennerflamme angibt. Die Hauptachse 8 eines Brenners 6 ist dabei orthogonal zu der Austrittsebene oder Ausbrandfläche 10 seines Brennerkopfes 7. Der Brennerkopf 7 jedes Brenners 6 ist über eine Flanschver­ bindung 11 an eine Brennstoffzuführung 12 angeschlossen.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Brennkammeranordnung 4 eine Ringbrennkammer mit einem ringförmig um die Turbinenwelle 2 angeordneten Brennraum, in den die Brenner 6 münden. Die Hauptachse 8 jedes Brenners 6 ist gegenüber der durch den Pfeil 14 angedeuteten Hauptachse der Turbinenwelle 2 ver­ kippt. Die Verkippung dient zur Erzeugung eines Dralls eines von diesem Brenner 6 erzeugten Arbeitsgases oder Arbeitsmit­ tels AM um die Hauptachse 14 der Turbinenwelle 2. Die Brenner 6 sind dabei derart symmetrisch um die Turbinenwelle 2 herum angeordnet, daß die Hauptachsen 8 aller Brenner 6 die gleiche Verkippung gegenüber der Hauptachse 14 der Turbinenwelle 2 aufweisen.

Beim Betrieb der Gasturbine 1 wird in nicht näher dargestell­ ter Weise unter Zufuhr komprimierter Luft ein Brennstoff zur Erzeugung des Arbeitsmittels AM in den Brennerköpfen 7 der Brenner 6 verbrannt. Dabei wird aufgrund der Verkippung der Hauptachsen 8 der Brenner 6 gegenüber der Hauptachse 14 der Turbinenwelle 2 ein Drall des Arbeitsmittels AM um die Hauptachse 14 der Turbinenwelle 2 erzeugt. Dieser Drall des Arbeitsmittels AM bleibt nach dem Drallsatz auch beim Aus­ tritt des Arbeitsmittels AM aus der Brennkammeranordnung 4 erhalten. Somit weist die Strömung des aus der Brennkammeran­ ordnung 4 austretenden Arbeitsmittels AM zusätzlich zu einer meridionalen Komponente auch eine zonale Komponente auf.

Wie in Fig. 4 gezeigt, trifft aus der Brennkammeranordnung 4 ausströmendes Arbeitsmittel AM auf eine mit den Turbinenwelle 2 verbundene Laufschaufelanordnung 20. Das Arbeitsmittel AM versetzt durch einen Impulsübertrag auf die Laufschau­ felanordnung 20 die Turbinenwelle 2 in Rotationsbewegung. Der Drall des die Brennkammeranordnung 4 verlassenden Arbeitsmit­ tels AM ist dabei derart bemessen, daß bei Vollastbetrieb der Gasturbine 1 ein besonders effektiver Impulsübertrag auf die Laufschaufelanordnung 20 resultiert. Somit ist eine Umleitung des Arbeitsmittels AM zur Verbesserung des Impulsübertrags auf die Laufschaufelanordnung 20 mittels einer in Strömungs­ richtung des Arbeitsmittels AM gesehen vor dieser angeordne­ ten zusätzlich zu kühlenden Leitschaufelanordnung mit ent­ sprechenden Umlenkverlusten nicht erforderlich, so daß der Wirkungsgrad der Gasturbine 1 gesteigert ist.

Um auch während eines Anfahrvorgangs der Gasturbine 1 einen besonders effektiven Impulsübertrag des Arbeitsmittels AM auf die Laufschaufelanordnung 20 zu gewährleisten, ist der Brenn­ kammeranordnung 4 in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels AM eine Anzahl verstellbarer Leitschaufeln 22 nachgeschaltet, von denen in Fig. 4 eine gezeigt ist. Die Leitschaufel 22 ist an einer verschiebbaren und um eine Achse 23 verdrehbaren Hebe- und Verstelleinrichtung 24 angeordnet. Bei Vollastbe­ trieb der Gasturbine 1 ist die Leitschaufel 22 in ein Gehäu­ sesegment 26 der Gasturbine 1 versenkbar, so daß sie nicht vom Arbeitsmittel AM umströmt wird. Bei Teillastbetrieb der Gasturbine 1 oder bei deren Anfahrvorgang kann die Leitschau­ fel 22 durch Absenken der Hebe- und Moduliervorrichtung 24 in den Strömungsbereich des Arbeitsmittels AM eingefahren wer­ den.

Durch Verdrehen der Hebe- und Moduliervorrichtung 24 um ihre Achse 27 wird beim Anfahren der Gasturbine 1 und/oder bei Teillastbetrieb ein besonders günstiger Anströmwinkel der Leitschaufel 22 eingestellt. Durch einen derartig modulierba­ ren Anströmwinkel kann das aus der Brennkammeranordnung 4 ausströmende Arbeitsmittel AM derart umgeleitet werden, daß auch bei Teillastbetrieb der Gasturbine 1 ein besonders ef­ fektiver Impulsübertrag des Arbeitsmittels AM auf die Lauf­ schaufelanordnung 20 gewährleistet ist.

Zur Kühlung der Leitschaufel 22 sind im Gehäusesegment 26 und in einem weiteren Gehäusesegment 27 Kühlluftkanäle 28 bzw. 29 vorgesehen. Bei Vollastbetrieb der Gasturbine 1 sind die Kühlluftkanäle 28 durch einen an der Hebe- und Moduliervor­ richtung 24 angeordneten Verschlußstempel 30 verschlossen, so daß eine Zufuhr von Kühlluft K mit im Vergleich zum Teillast­ betrieb deutliche verringerte Rate nur noch über die Kühl­ luftkanäle 29 erfolgt.

Beim Betrieb der Gasturbine 1 ist somit für jeden Lastzustand ein besonders effektiver Impulsübertrag des Arbeitsmittels AM auf die Laufschaufelanordnung 20 gewährleistet. Bei Vollast­ betrieb der Gasturbine 1 ist jede Leitschaufel 22 in das für sie vorgesehene Gehäusesegment 26 versenkt, so daß das Ar­ beitsmittel AM ohne Kontakt mit einem Strukturteil auf die Laufschaufelanordnung 20 trifft. Der erforderliche Impuls­ übertrag auf die Laufschaufelanordnung 20 wird dabei durch den Drall des Arbeitsmittels AM sichergestellt. Eine Kühlung von zwischen der Brennkammeranordnung 4 und der Laufschau­ felanordnung 20 angeordneten Strukturteilen bei Vollastbe­ trieb der Gasturbine 1 ist nicht erforderlich.

Claims (8)

1. Gasturbine mit einer Turbinenwelle (2) und mit einer eine Anzahl von Brennern (6) aufweisenden Brennkammeranordnung (4), wobei die Hauptachse (8) jedes Brenners (6) zur Erzeugung ei­ nes Dralls eines Arbeitsmittels (AM) gegenüber der Hauptachse (14) der Turbinenwelle (2) verkippt ist.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bren­ ner (6) derart symmetrisch um die Turbinenwelle (2) herum an­ geordnet sind, daß die Hauptachsen (8) aller Brenner (6) die gleiche Verkippung gegenüber der Hauptachse (14) der Turbi­ nenwelle (2) aufweisen.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammeranordnung (4) eine separate Brennkammer für jeden Brenner (6) umfaßt.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer jedes Brenners (6) derart ausgeführt ist, daß der Drall des Arbeitsmittels (AM) bei dessen Austritt aus der Brennkammeranordnung (4) erhalten ist.

5. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammeranordnung (4) eine Ringbrennkammer ist.

6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammeranordnung (4) in Strömungsrichtung des Arbeits­ mittels (AM) eine Anzahl verstellbarer Leitschaufeln (22) nachgeschaltet ist.

7. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Leitschaufel (22) in ein Gehäusesegment (26) der Gastur­ bine (1) versenkbar ist.

8. Gasturbine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ strömwinkel jeder Leitschaufel (22) modulierbar ist.