DE2633291B2

DE2633291B2 - Gasturbinenananlage mit Kühlung durch zwei unabhängige Kühlluftströme

Info

Publication number: DE2633291B2
Application number: DE2633291A
Authority: DE
Inventors: Bernard Dr.-Ing. 4330 Muelheim Becker
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1976-07-23
Filing date: 1976-07-23
Publication date: 1980-08-28
Also published as: IN149109B; SE420636B; US4127988A; CH623632A5; GB1541532A; DE2633291A1; DE2633291C3; SE7707891L; IT1085833B

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit Kühlung der Turbinenteile durch zwei unabhängige w konzentrisch zueinander verlaufende Kühlluftströme, von denen der eine aus einer Verdichterzwischenstufe und der andere hinter dem Verdichter abgezweigt ist.

Eine derartige Anlage ist aus der DE-OS 22 61 443 bekannt. Bei dieser Anordnung werden durch den hinter 4> dem Verdichter abgezweigten Kühlluftstrom der Hochtemperaturbereich der Turbine und durch den aus der Verdichterzwischenstufe abgezweigte Teilstrom Teile in der mittleren und hinteren Zone der Turbine gekühlt. Die Trennung der beiden konzentrisch ίο zueinander verlaufenden Kühlluftströme erfolgt hierbei durch eine mitrotierende Zwischenwandung. Eine derartige Trennung der Kühlluftströme durch mitrotierende Einbauten ist jedoch bei den im Gasturbinenbau üblichen Drehzahlen nur mit erheblichem konstrukti- ,-, vem Aufwand durchzuführen.

Ein weiteres wesentliches Problem bei einer derartigen Kühlluftführung stellt der hohe Druckverlust dar, der durch das im Läuferinneren entstehende Fliehkraftfeld auftritt. Zur Verringerung dieser Verluste werden on im allgemeinen zwei Wege angewandt. Die erste Lösung besteht darin, die Luft in radial gerichteten Kanälen nach innen zu führen, wobei neben Reibungsverlusten die Druckunterschiede in sogenanntem Festkörperwirbel zu überwinden sind. Zur Führung der h^r> Luft ist dabei jedoch eine relativ aufwendige Konstruktion notwendig. Die zweite Lösung besteht darin, die I.lift in einem freien Rnlationshohlraum nach innen zu führen, wobei sich ein Potentialwirbel ausbildet, dessen Stärke durch eine günstige Formgebung der Eintrittsbohrungen in den Läufer verringert werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage zu schaffen, bei der mit geringem konstruktivem Aufwand eine Kühlung hochbeanspruchter Teile durch zwei unabhängige Kühlluftströme möglich ist, und bei der die Verluste des Kühlsystems gering gehalten werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß der erste Kühlluftstrom aus der Verdichterzwischenstufe mit geringer Absolutgeschwindigkeit in den Rotor in einen achsnahen Bereich und der zweite Kühlluftstrom hinter dem Verdichter mit hoher Umfangsgeschwindigkeit in den Rotor in einen radial außenliegencien Bereich geführt ist und daß die beiden Kühlluftströnie den Rotor über einen zwischenwandlosen Raum weitgehend unvermischt zu den Gasturbinenscheiben durchströmen. Durch diese spezielle Führung der beiden Kühlluftströme werden einerseits die Druckverluste minimiert, während andererseits die bisher erforderlichen Einbauten zur Trennung der beiden Kühlluftströme entfallen können.

Aus der DE-OS 16 Ol 664 ist es bereits bekannt, bei einer Gasturbinenanlage einen Kühlluftstrom mit geringer Absolutgeschwindigkeit in den Rotor in einen achsnahen Bereich zu führen. Da über die Herkunft dieses Kühlluftstromes aber nichts ausgesagt ist und da nur ein einziger Kühlluftstrom angesprochen ist, kann der Fachmann dieser Druckschrift keinen Hinweis auf die erfindungsgemäße Führung von zwei konzentrisch zueinander verlaufenden Kühlluftströmen entnehmen.

Aus der GB-PS 9 26 160 ist ebenfalls eine Gasturbinenanlage bekannt, bei welcher ein einziger Kühlluftstrom mit geringer Absolutgeschwindigkeit in den Rotor in einen achsnahen Bereich geführt wird. Dieser Kühlluftstrom wird jedoch hinter dem Verdichter abgezweigt und nicht in einer Verdichterzwischenstufe, wie es bei dem in einem achsnahen Bereich geführten Kühllurtstrom der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage der Fall ist.

Zur Führung des ersten Kühlluftstromes in den Rotorinnenraum ist ein an eine Kompressorscheibe angesetzter Leitapparat zweckmäßigerweise in Form einer Ringscheibe mit zylindrischen, am innenumfang nahezu tangential ausmündenden Kühlluftbohrungen vorgesehen. Der Leitapparat kann dabei auch durch den äußeren Teil einer Kompressorscheibe gebildet werden.

Der zweite Kühlluftstrom wird zweckmäßigerweise über angenähert radial verlaufende Bohrungen in den Rotor geführt.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Gasturbinenrotor im Bereich der letzten Kompressorscheiben und der ersten Turbinenscheibe mit dem Kühlluftverlauf;

Fig. 2 ein Diagramm über Geschwindigkeits- und Druckverlauf an der Stelle H-Il nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Leitapparat im Bereich einer Kompressorscheibe;

Fig. 4 das zugehörige Diagramm für Geschwindigkeits- und Druckverlauf;

Fig. 5 ein entsprechendes Diagramm für einen Festkörperwirbel und

F i s- 6 für einen Potentialwirbel.

Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, weist der Rotor 1 der Gasturbine den Kompressorteil 2 sowie den Gasturbinenteil 3 auf, wobei zur Vereinfachung der Darstellung lediglich die beiden letzten Kompressorscheiben 4 und 5 sowie die erste Gasturbinenscheibe f» gezeigt sind. Zur Kühlung der Gasturbinenscheiben sollen zwei unabhängige Kühlluftströme 7 und 8 vorgesehen sein, auf die im einzelnen im folgenden näher eingegangen wird.

Zur Kühlung der hinteren Turbinenstufen sollen Entnahmensngen aus dem mittleren Verdichterbereich verwendet werden, die eine geringere Temperatur und einen geringeren Druck aufweisen. Diese Kühlluftmen gen werden vor der Kompressorscheibe 4 über einen Leitapparat 9 entnommen, der in F i g. 3 im einzelnen dargestellt ist ι s

Wie bereits ausgeführt, ist der Druckverlust im wesentlichen durch das im Rotorinneren entstehende Fiiehkraftfeld bedingt Den Druckgradienten im Flieh kraftfeld kann man dabei im Fall des einfachen radialen Gleichgewichts durch folgende Formel beschreiben: 2a

dr - " r ·

Dabei bedeuten:

ρ = statischer Druck
ρ = Dichte
r = Radius

Cu — Umfangskomponente der Absolutströmungsgeschwindigkeit

Daraus ergibt sich, daß besonders hohe Druckverluste bei großer absoluter Umfangsgeschwindigkeit, hoher Dichte, kleinem Radius und großer Radienänderung auftreten. Nach der vorliegenden Erfindung soll nunmehr die Führung der Luft so gestaltet werden, daß in einem möglichst großen inneren Radienbereich c„< u ist und somit Oer Druckverlust minimiert wird. Dazu wird die Kühlluft in einem im äußeren Radienbereich angeordneten Leitapparat 9 so von außen nach innen in den Innenraum 10 geführt, daß sie aus dem Leitapparat 9 nahezu tangential ausströmt. Dazu sind in dem Leitapparat 9 am einfachsten zylindrische Bohrungen 11 vorgesehen, die eine solche Neigung aufweisen, daß sie am Innenumfang nahezu tangential auslaufen. Damit hat die Kühlluft eine Realtivgeschwindigkeit w„ zum rotierenden System, die in etwa die gleiche Größe, jedoch die umgekehrte Richtung wie die Umfangsgeschwindigkeit u der Wände hat, wie dies deutlich aus dem Diagramm nach F i g. 4 zu ersehen ist. Dadurch wird die für die Stärke des Fliehkraftfeldes bestimmende Absolutgeschwindigkeit sehr klein. Sie ändert ihren Betrag in dem von Einbauten freien Rir.graum 10 aufgrund des Drallsatzes dann auch nur unwesentlich. Dem Einfluß der Reibung, die einen Mitdrall erzeugt, kann durch einen geringen Gegendrall am Ringraumeintritt entgegengewirkt werden. Wegen der quadratischen Abhängigkeit der Druckänderung von der Geschwindigkeit ist auch bei dieser nicht idealen reibungsbehafteten Strömung der Druckverlust Ap nahezu Null, wie ebenfalls aus dem Diagramm nach F i g. 4 zu ersehen ist. Der Druckverlust ist auf jeden Fall kleiner als bei bekannten Lösungen, bei der die Kihlluft in radial gerichteten Kanälen nach innen geführt wird und sich die Strömungsverhältnisse in einem Festkör- ι perwirbel entsprechend dem Diagramm nach Fig. 5 ergeben und er ist auch kie'ner als bei einer freien Führung der Kühlluft übe¹' einen Potentialwirbel entsprechend dem Diagramm nach F i g. 6.

Die Einströmung in den Leitapparat 9 ist zweckmäßigerweise so zu gestalten, daß die Umfangskomponente dem im Verdichter 2 vorhandenen Drall in etwa entspricht Dadurch wird der Stoßverlust verringert. Auch die am Leitapparateintritt an den Kanälen 11 notwendige Radialkomponente führt wegen der Umlenkung in tangentiale Richtung zu keinem wesentlichen Verlust

Zur Kühlung des Hochtemperaturbereichs der Turbine ist darüber hinaus ein weiterer Kühlluftstrom 8 mit hohem Druck vom Verdichteraustritt her zu wählen, wie im folgenden beschrieben wird. Dabei sollen jedoch beide Kühlluftströme ohne Anwendung zusätzlicher Teile wie Trennwände oder ähnlich getrennt geführt werden, ohne daß eine wesentliche Vermischung stattfindet

Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, soll dazu in dem Raum 12, in dem beide Kühlluftströme 7 und 8 auf unterschiedlichem Druckniveau durch den gleichen Raum führen, ein möglichst starkes Fliehkraftfeld aufgebaut werden. Dies geschieht dadurch, daß die außen strömende, hochverdichtete Luft 8 hinter der letzten Kompressorscheibe 5 über radiale oder nur schwach geneigte Bohrungen 13 in den Rotor eingeführt und ihr somit eine hohe Umfangsgeschwindigkeit (c„~£ü · r_a) mitgeteilt wird. Wegen des großen Radius im Bereich des Außenumfangs des Rotors ist der Drall Cu ■ r sehr stark. Da sich der Radius jedoch entlang des vorgesehenen Strömungsweges 8 nur wenig ändert, ist der Druckverlust dabei gering. Auf dem inneren Strömungsweg 7 strömt dagegen die Kühlluft mit kleiner Umfangsgeschwindigkeit (c_u~uj aus, wobei Radius und Umfangskomponente einen sehr schwachen Drall ergeben. Der äußere, hochverdichtete Kühlluftstrom 8 wird dann über entsprechende Kanäle 14 den hochbeanspruchten Bereichen im Schaufelfluß 15 der ersten Gasturbinenscheibe 6 zugeführt.

Wegen des erheblichen Druckunterschiedes zwischen der äußeren Strömung 8 und der inneren Strömung 7 wird stets eine gewisse Luftmenge von außen nach innen strömen, wie durch die Pfeile 16 angedeutet. Ihre Absolutgeschwindigkeit steigt nach dem Drallsatz umgekehrt proportional dem Radius an; dadurch baut sich ein starkes Fliehkraftfeld auf, in dem bei den im Gasturbinenbau üblichen Umfangsgeschwindigkeiten und Radienverhältnissen die zur Trennung der Hauptluftströme 7 und 8 benötigten Druckunterschiede erzeugt werden. Die entsprechenden Druck- und Strömungsverhältnisse sind dabei aus dem Diagramm nach F i g. 2 zu ersehen, die praktisch eine Überlagerung der entsprechenden Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse aus den Diagrammen 6 für den Potentialwirbel und dem unteren Bereich des Diagramms nach Fig.4 für den durch den Leitapparat zugeführten ersten Kühlluftstrom 7 darstellen. Untersuchungen haben dabei gezeigt, daß zur Überwindung der Reibmomente sehr kleine Luftmengen ausreichen, so daß der Luftübergang vom äußeren in das innere System relativ gering bleibt, und somit der durch das Zweikreissystein zu erzielende Gewinn durch Verringerung der Verdichterantriebsleitung und Verbesserung des KühlluftwirKungsgrades im wesentlichen erhalten bleibt. Besondere konstruktive Maßnahmen wie Rohre, Labyrinthe, Hohlwellen oder ähnl. zur Trennung der beiden Kühlluftsysteme voneinander und von der Heißgasströmung sind bei der erfindungsgemälicn Gestaltung des Rotors und seiner Kühllufteintritte nicht erforderlich.

Hierzu I Blatt Zeichnunucn

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage mit Kühlung der Turbinenteile durch zwei unabhängige konzentrisch zueinander verlaufende Kühlluftströme, von denen der eine aus einer Verdichterzwischenstufe und der andere hinter dem Verdichter angezweigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kühlluftstrom (7) aus der Verdichterzwischenstufe (4) mit geringer _]u Absolutgeschwindigkeit in den Rotor (1) in einen achsnahen Bereich und der zweite Kühlluftstrom (8) hinter dem Verdichter (5) mit hoher Umfangsgeschwindigkeit in den Rotor (1) in einen radial außenliegenden Bereich geführt ist, und daß die _]5 beiden Kühlluftströme (7,8) den Rotor (1) über einen zwischen« andlosen Raum (12) weitgehend unvermischt zu den Gasturbinenscheiben (6) durchströmen.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch >o gekennzeichnet, daß zur Führung des ersten Kühlluftstromes (7)· in den Rotorinnenraum (10) ein an eine Kompressorscheibe (4) angesetzter Leitapparat (9) in Form einer Ringscheibe mit zylindrischen, am Innenumfang tangential ausmündenden >-> Kühlluftbohrungen (11) vorgesehen ist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitapparat (9) durch den äußeren Teil einer Kompressorscheibe (4) gebildet ist. «ι

4. Gassturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlluftstrom (8) über angenähert radial verlaufende Bohrungen (13) in den Rotor (1) geführt ist.