DE69213663T2

DE69213663T2 - Integriertes Luft-/Dampfkühlungssystem für Gasturbinen

Info

Publication number: DE69213663T2
Application number: DE69213663T
Authority: DE
Inventors: Francisco Jose Cunha
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-11-19
Filing date: 1992-11-18
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2012-11-19
Also published as: US5340274A; NO300394B1; EP0543627A1; CN1068409C; JP3631500B2; JPH05240064A; CN1073502A; KR930010349A; EP0543627B1; DE69213663D1; NO924449D0; KR100229295B1; NO924449L

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem für eine Gasturbine und betrifft insbesondere ein integriertes Dampf/Luft-Kühlsystem für eine Turbine mit einem kombinierten Zyklus sowie ein Verfahren zum Betrieb des Systems.
Die übliche Lösung zum Kühlen von Gasturbinenschaufeln und -düsen besteht darin, Luft von einer Quelle mit einem genügend hohen Druck zu entnehmen, z.B. indem man Luft von den mittleren und letzten Stufen des Gasturbinenverdichters entnimmt. Typischerweise wird eine Reihe von inneren Strömungskanälen verwendet, um die gewünschten Massenstromanforderungen zum Kühlen der Turbinenschaufeln zu erreichen, während für Düsen Kühlluft über externe Rohrführung zugeführt und gesteuert wird. Die Strömungskreise für die Kühlluft umgehen (bypass) die Brennkammern, wo dem thermodynamischen Kreislauf Wärme zugeführt wird. Somit erhält die abgeleitete Kühlluft keine Energie direkt von den Brennkammern und expandiert nicht vollständig über die Turbine. Diese Anordnung bedeutet parasitäre Verluste für den Turbinenausgang und setzt den insgesamten Leistungswirkungsgrad herab.
Eine Dampfkühlung bei rückgeheizten Gasturbinen wurde bereits früher erörtert, vgl. beispielsweise die US-Patente 4,314,442 und 4,565,490 sowie das EP-Patent 0 392 664. Die Dampfkühlung wurde ebenfalls diskutiert in einem Bericht des Electric Power Research Instituts, im Report No. RP2620-1 mit dem Titel "Future Gas Turbine Development Options Definition Study" vom Juni 1987. Dieser Bericht beschreibt die vorweggenommene Leistungsverbesserung für eine Dampfkühlung aus der Perspektive der Analyse eines thermodynamischen Kreisprozesses. Im Zusammenhang mit diesem Bericht enthielten die Anforderungen an die Dampfkühlungsversorgung eine Quelle mit einem sehr hohen Druck, d.h. in der Größenordnung von 130 kg/cm² (1840 psia), weil man zu jener Zeit glaubte, daß ein solch hoher Druck gebraucht würde, um die Reibungsverluste in Kreis sowie die entgegengerichteten Rotations- und Zentrifugalfeldkräfte zu überwinden, die mit der vorgeschlagenen geschlossenen Kühlkreislaufkonfiguration in Verbindung stehen.
Bei einer Betriebsweise mit kombiniertem Zyklus ist Dampf bei verschiedenen Druck- und Temperaturpegeln einfach verfügbar. Kühlluft in einer Gasturbine kann durch Dampf ersetzt werden, der das bessere Kühlmedium darstellt. Mehr noch, das Problem der Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrads mit Luft als Kühlmedium wird in dem Maße verbessert, wie der Übergang von Luft- auf Dampfkühlung durchgeführt wird. Bei Verwendung von Dampf als Kühlmittel ist es ebenfalls möglich, die Brenntemperaturen in dem Gasturbinenkreislauf zu erhöhen. Zusammenfassung der Erfindung Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen ein integriertes Dampf/Luft-Kühlsystem für eine Gasturbine enthaltend ein Paar axial im Abstand angeordneter drehbarer Turbinenstufen, die jeweils mehrere Turbinenschaufeln für eine Anordnung in einer Gasströmung durch die Turbine aufweisen, wobei wenigstens bestimmte Turbinenschaufeln jeweils wenigstens einen inneren Kanal aufweisen, eine Düsenstufe zwischen den Turbinenstufen, die mehrere Düsenschaufeln für eine Anordnung in der Gasströmung durch die Turbine enthält, wobei wenigstens bestimmte Schaufeln jeweils wenigstens einen inneren Kanal aufweisen, eine Einrichtung zum Zuführen von Kühlluft zu den inneren Kanälen für eine Luftkühlung der Turbine, eine Einrichtung zum Zuführen von Dampf zu den inneren Kanälen fur eine Dampfkühlung der Turbine, gekennzeichnet durch. eine Einrichtung, die mit der Kühlluft-Zuführeinrichtung und der Dampf-Zuführeinrichtung zusammenarbeitet, um einen Übergang zwischen der Luftkühlung der Turbine und der Dampfkühlung der Turbine herbeizuführen.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen ein Verfahren zum Betreiben einer Kühleinrichtung in einer Gasturbine mit einem Paar axial beabstandeter, drehbarer Turbinenstufen, die jeweils mehrere Turbinenschaufeln haben für eine Anordnung in einer Gasströmung durch die Turbine, wobei wenigstens bestimmte Turbinenschaufeln jeweils wenigstens einen inneren Kanal aufweisen, mit einer Düsenstufe zwischen den Turbinenstufen und mit mehreren Düsenschaufeln für eine Anordnung in der Gasströmung durch die Turbine, wobei wenigstens bestimmte der Schaufeln jeweils wenigstens einen inneren Kanal aufweisen, gekennzeichnet durch die Schritte: zunächst wird Kühlluft zu den inneren Kanälen der Turbinenschaufeln zugeführt, um für eine Luftkühlung der Turbine während des Startens der Turbine zu sorgen; anschließend wird Dampf zu den inneren Kanälen der Turbinenschaufeln zugeführt, um für eine Dampfkühlung der Turbine während des normalen Betriebs der Turbine nach dem Turbinenstart zu sorgen; und ein Übergang zwischen Luftkühlung der Turbine und Dampfkühlung der Turbine wird durch eine Einrichtung herbeigeführt, die mit der Kühlluft-Zuführeinrichtung und der Dampf-Zuführeinrichtung zusammenarbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Dampf- und Luftkühlung in einem System mit einem kombinierten Zyklus integriert, bei dem für die primäre Kühlung Dampf und für abnormale Betriebsbedingungen, z.B. beim Starten, Luft vorgesehen wird. Das bedeutet, die Gasturbine wird unter normalen Umständen mit Dampfkühlung betrieben und hat als Reserve (backup) Luftkühlung für einen abnormalen Betrieb zur Verfügung, z.B. während des Startens oder bei einem plötzlichen Ausfall in der Dampf zufuhr. Eine existierende luftgekühlte Gasturbine wird modifiziert, um von der betriebsmäßigen Luftkühlung auf Dampfkühlung überzuwechseln. Die Kühlstromverteilung, insbesondere in den Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe sowie in den Düsen der zweiten Stufe, erfordern somit notwendige Modifikationen, um die Dampfkühlung unterzubringen.
Insbesondere können die Düsenschaufeln der zweiten Stufe sowie die Turbinenschaufeln der ersten Stufe speziell ausgebildet werden, um von dem Vorteil der thermischen Leistungsfähigkeit der Dampfkühlung Gebrauch zu machen. In der Düse der zweiten Stufe kann sich ein Paar von Rohrleitungen oder Röhren von einem mit einer geeigneten Dampfquelle von den kombinierten Kreisprozessen gekoppelten Verteiler und durch die Düsenschaufeln sowie den mit den Düsenschaufeln verbundenen Leitapparat (Diaphragma) erstrecken. Die innere Oberfläche des Leitapparats kann in üblicher Weise mit der äußeren Oberfläche eines Abstandshalters abdichten, wobei der Abstandshalter zur Umdrehung mit und zwischen den Rädern getragen wird, welche die Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe befestigen. Der Abstandshalter kann ein Paar von Kammern mit den Turbinenrädern der ersten und zweiten Stufe bilden. Der durch die Düsenschaufeln und durch das Diaphragma strömende Kühldampf kann in Verbindung stehen mit den Kammern und mit den Einlaßöffnungen für die Passage durch die Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe, wie nachfolgend beschrieben wird.
Ferner können gesonderte Einsätze jede der Rohrleitungen durch die Düsenschaufeln umhüllen und umfassen. Jeder Einsatz kann mit mehreren Öffnungen für strömende Luft ausgebildet sein, die dem Raum zwischen der Dampf führenden Rohrleitung und dem Einsatz zugeführt wird, und zwar nach außen gerichtet in eine zwischen dem Einsatz und den Wandungen der Düsenschaufel gebildete Kammer. Die Luft kann die Turbinenschaufel kühlen und die Schaufel verlassen sowohl über eine Reihe von Öffnungen in ihrer hinteren Kante sowie in eine Kammer innerhalb des Diaphragmas zum Austritt in axial gegenüberliegenden Richtungen in die Gasströmung durch die Turbine. Die den Dampf führenden Rohrleitungen können Rippen auf ihren äußeren Oberflächen aufweisen, um die Wärmeübertragungsrelation zwischen dem Dampf in den Rohrleitungen und der in den Einsätzen strömenden Luft zu verbessern. Die äußeren Oberflächen der Einsätze können mit Rippen, vorzugsweise spiral- oder wendelförmig, ausgestattet sein, um die Strömung auf die Hinterkante und auf das Diaphragma zu richten. Die Wärmeübertragung zwischen dem Dampf und der Luft vermindert im Betrieb die Temperatur des Dampfs und erhöht die Temperatur der Luft. Die Luftströmung wird jedoch expandiert und abgekühlt beim Durchgang durch die Öffnungen in dem Einsatz für einen kühlenden Aufprall auf die inneren Oberflächen der Düsenschaufeln.
Der Dampf kann durch die Rohrleitungen und das Diaphragma sowie durch die Dichtung zwischen dem Diaphragma und dem Abstandshalter strömen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Abschluß um eine Dichtung vom Labyrinth-Typ mit mehreren vorstehenden Zähnen. Injektordüsen können im Abstand voneinander über dem Umfang der dichtenden Oberfläche des Abstandshalters angeordnet sein. Der Dampf kann von dem Diaphragma zwischen den benachbarten Zähnen der Labyrinthdichtung strömen, um durch die Injektordüsen im Abstandshalter zu strömen. Die Düsen können so geformt sein, daß sie den Dampfstrom in die Kammern auf den gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters beschleunigen.
Zusätzlich kann Kühldampf für die ersten und zweiten Turbinenstufen von einer Stelle neben der Turbinenwelle in die Bereiche zwischen den Turbinenrädern der ersten und zweiten Stufe eingelassen werden. Es können Kanäle durch den Abstandshalter vorgesehen werden, um den Dampfeintritt in die Kammern zu ermöglichen. Somit kann diese innere Dampfströmung iber die Zentrifugalkraft radial nach außen gelangen, um sich mit dem Dampf eingang für die Kammern von den Rohrleitungen der Düsenstufe und den Einspritzdüsen des Abstandshalters zu mischen. Dieser zusammengesetzte Dampf kann durch die Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe strömen und sie kühlen.
Jede Turbinenschaufel der ersten Stufe kann eine serpentinenförmige Kühlanordnung enthalten mit vier Kühlkreisläufen; zwei ein-zügigen radial nach auswärts gerichteten Kanälen neben den vorderen und hinteren Kanten der Schaufel sowie zwei mittlere drei-zügige in Strömungsrichtung vordere und hintere Kreise. Die Einlaßöffnungen für die serpentinenförmigen Kanäle können durch die Sockel zum Befestigen der Turbinenschaufeln führen. Mit Bezug auf die in Strömungsrichtung vorderen und hinteren Zwischenkreise können die jeweiligen Einlaßöffnungen im Fußbereich der Schaufel angeordnet sein, und die Dampf strömung kann durch Kanäle erfolgen, die zuerst radial nach außen in Richtung auf den Spitzenbereich, dann radial nach innen zum Fußbereich und schließlich radial nach außen zum Spitzenbereich gerichtet sind, um die Turbinenschaufel im wesentlichen im mittleren Bereich der Schaufel an ihrer Spitze zu verlassen. Der Dampf strömt daher in Form einer Schlangenlinie von einem Bereich neben den vorderen und hinteren Kanten in axial entgegengesetzten Richtungen auf einen Mittelbereich der Turbinenschaufel. Somit verläßt der Dampf, der die meiste Wärme von der Schaufel aufgenommen hat, in vorteilhafter Weise die Schaufel an einer Stelle, welche die niedrigste Metalltemperatur aufweist.
Der Vorderkantenkreis transportiert Dampf radial nach außen zwischen einer Einlaßöffnung am Fußbereich der Schaufel und einem Auslaß an der Spitze sowie durch mehrere radial im Abstand angeordnete Öffnungen, die sich in eine Ausbuchtung auf der Vorderkante der Schaufel öffnen. Diese Ausbuchtung kann entlang dem Stau- oder Anstellbereich (stagnation or pitch area) der Schaufel lokalisiert sein, welches der Bereich der höchsten Schaufeltemperatur im Betrieb ist. Die Ausbuchtung kann ein poröses Material enthalten, z.B. ein Geflecht aus Drahtgewebe von hoher Dichte, wobei Dampf vom ersten Kreis an der Vorderkante durch das Geflecht zur Transpirationskühlung durch die Öffnungen in die Ausbuchtung strömen kann. Der Hinterkantenkreis kann Dampf von einer Einlaßöffnung neben dem Fußbereich der Schaufel zu einem Auslaß neben dem Spitzenbereich transportieren wie auch durch eine Reihe von radial im Abstand angeordneten Öffnungen entlang der hinteren Schaufelkante.
Zusätzlich können auf der Druckseite jeder Schaufel eine Reihe von kleinen Öffnungen für eine Filmkühlung vorgesehen werden, die radial im Abstand über die Schaufel angeordnet sind und vorzugsweise in Verbindung stehen mit dem ersten Durchgangskanal des in Strömungsrichtung vorderen Zwischenkreises für die Zuführung von Dampf zur Filmkühlung entlang der Druckoberfläche der Schaufel. Eine Filmkühlung ist vorgesehen, da Dampf überlegene Strahlungseigenschaften aufweist, z.B. Absorptions- und Emissionsvermögen, und viel von der Strahlungsenergie absorbiert und diese Energie bei einer geringeren Intensität emittiert. Auf der Druckseite der Schaufel kann weiterhin eine Reihe von kleinen Öffnungen für eine Filmkühlung vorgesehen sein, die radial im Abstand über die Schaufel angeordnet sind und vorzugsweise in Verbindung mit dem letzten Durchgangskanal des in Strömungsrichtung hinteren Zwischenkreises stehen. Die Lage dieser kleinen Öffnungen für eine Grenzschichtkühlung zwischen den vorderen und hinteren Schaufelkanten auf der Ansaugseite wird deshalb gewählt, weil die Grenzschicht in diesem Bereich dicker ist. Die Grenzschicht erhöht die thermische Konvektionsbelastung auf dem Teil. Durch eine Verringerung der Grenzschicht mittels einer Dünnfilmkühlung wird die thermische Konvektionsbelastung auf das Teil reduziert.
Die Turbinenschaufeln der zweiten Stufe können jeweils mit mehreren geraden radialen Durchgangskanälen zum Durchleiten des Kühldampfs radial nach außen auf die Schaufelspitzen ausgestattet sein. Jede Turbinenstufe kann eine Dampfsammelmantel benachbart zu den Schaufelspitzen zum Sammeln des Kühldampfs aufweisen.
Mit dem gerade beschriebenen Dampf-Kühlsystem kann ein Luft-Kühlsystem kombiniert werden. Um dies zu erreichen, kann ein rotierender Düsenring auf dem inneren Umfang des Rads der ersten Stufe vorgesehen sein. Feste und bewegliche Ventilstrukturen können auf der Welle angebracht sein. Das Ventil kann normalerweise geschlossen sein, um zu verhindem, daß Luft unter Druck von dem Kompressor radial nach außen in die Zwischenräume zwischen den Rädem und dem Abstandshalter in die Kammern strömt. Beispielsweise während des Startvorgangs oder bei einem abnormalen Betriebszustand, wenn der Dampfdruck nicht verfügbar oder verloren gegangen ist, kann die Magnetspule betätigt werden, um das Ventil zu öffnen, damit Druckluft in diese Bereiche gelangt, um durch die Einlaßöffnungen der Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe zur Kühlung zu strömen. Nach dem Startvorgang oder wenn die Luftkühlung im allgemeinen nicht benötigt wird, kann die Magnetspule das Ventil schließen um zu verhindern, daß Luft in diese Räume eintritt.
Die vorliegende Erfindung möchte Einrichtungen und Verfahren angeben zum Integrieren von Dampfkühlung mit existierenden Designs von Luftkühlungen für Gasturbinen, wobei Übergänge gemacht werden können zwischen Luftkühlung, Dampfkühlung, Kombinationen von Luft/Dampf-Kühlung und das für alle Betriebsbedingungen der Gasturbine in einer Weise, daß der volle thermodynamische Vorteil und Kreislaufwirkungsgrad erreicht wird. Somit können thermodynamische Verluste eliminiert oder minimiert werden, während gleichzeitig eine Dampfkühlung höhere Brenntemperaturen für höhere Maschinenausgangsnennleistungen zulassen kann. Zusätzlich kann die Brennkammer-Emissionssteuerung verbessert werden, indem man mehr Luft und Dampf in dem Verbrennungsprozeß aufbringt, ohne daß das einen Effekt auf andere Betriebskomponenten der Turbine hat. Beispielsweise und weiterhin tritt eine thermische Kurzzeitermüdung (low-cycle-fatigue) von Turbinenrotorrädern als Folge von über den Rädem induzierten Temperaturgradienten auf, die von einer Kühlluftströmung um die Turbinenräder bewirkt werden. Durch Ersetzen der Kühlluft durch Dampf können die thermischen Gradienten verringert werden und die Lebensdauererwartung der Turbinenrotorräder wird erweitert.
Die vorliegende Erfindung möchte ein System zur Integration der Dampfkühlungsmerkmale der Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe und der Düsen der zweiten Stufe, wie in meiner früheren Anmeldung ausgeführt, mit den existierenden Luftkühlkreisläufen in derzeitigen Designs von Gasturbinen angeben. Darüber hinaus kann das System Luft- und Dampfkühlung für alle Betriebsarten der Turbine integrieren, indem es beispielsweise einen glatten Übergang von Luftkühlung auf Dampfkühlung während des Startvorgangs, wenn Dampf verfügbar wird, leistet, oder indem eine Dampfkühlung während des Normalbetriebs mit der Option auf zusätzliche Luftkühlung erfolgt, und mit zusätzlicher Kühlung über Luftkühlung während abnormaler Betriebsperioden, wenn beispielsweise heiße Stellen auf den Turbinenschaufeln festgestellt werden. Infolgedessen kann die vorliegende Erfindung ein integriertes Dampf/Luft-Kühlsystem für Gasturbinen liefern mit einem besseren Kreislaufwirkungsgrad, mit höheren Brenntemperaturen, mit einer verbesserten Turbinenkühlung, mit einer Flexibilität hinsichtlich der Steuerung der Verbrennungsemission sowie mit einer verbesserten Lebensdauer des Turbinenrotorrads hinsichtlich der Kurzzeitermüdung.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen ein integriertes Dampf/Luft-Kühlsystem für eine Gasturbine enthaltend ein Paar axial im Abstand angeordneter drehbarer Turbinenstufen, die jeweils mehrere Turbinenschaufeln für eine Anordnung in einer Gasströmung durch die Turbine aufweisen, wobei wenigstens bestimmte Turbinenschaufeln jeweils wenigstens einen inneren Kanal aufweisen, eine Düsenstufe zwischen den Turbinenstufen, die mehrere Düsenschaufeln für eine Anordnung in der Gasströmung durch die Turbine enthält, wobei wenigstens bestimmte Schaufeln jeweils wenigstens einen inneren Kanal aufweisen. Es ist eine Einrichtung vorgesehen zum Zuführen von Kühlluft zu den inneren Kanälen für eine Luftkühlung der Turbine und zum Zuführen von Dampf zu den inneren Kanälen für eine Dampfkühlung der Turbine. Eine Einrichtung arbeitet zusammen mit der Kühlluft-Zuführeinrichtung und der Dampf-Zuführeinrichtung, um einen Übergang zwischen der Luftkühlung der Turbine und der Dampfkühlung der Turbine herbeizuführen.
In einer weiteren vorgezogenen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, in einer Gasturbine mit einem Paar axial beabstandeter, drehbarer Turbinenstufen, die jeweils mehrere Turbinenschaufeln haben für eine Anordnung in einer Gasströmung durch die Turbine, wobei wenigstens bestimmte Turbinenschaufeln jeweils wenigstens einen inneren Kanal aufweisen, mit einer Düse zwischen den Turbinenstufen und mit mehreren Düsenschaufeln für eine Anordnung in der Gasströmung durch die Turbine, wobei wenigstens bestimmte der Schaufeln jeweils wenigstens einen inneren Kanal aufweisen, ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems für die Gasturbine enthaltend die Schritte, wonach zunächst Kühlluft zu den inneren Kanälen der Turbinenschaufel zugeführt wird, um für eine Luftkühlung der Turbine während des Startens der Turbine zu sorgen, wonach anschließend Dampf zu den inneren Kanälen der Turbinenschaufeln zugeführt wird, um für eine Dampfkühlung der Turbine während des normalen Betriebs der Turbine nach dem Turbinenstart zu sorgen, und wonach ein Übergang zwischen Luftkühlung der Turbine und Dampfkühlung der Turbine durch eine Einrichtung herbeigeführt wird, die mit der Kühlluft-Zuführeinrichtung und der Dampf-Zuführeinrichtung zusammenarbeitet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren

Die Erfindung wird nun im größeren Detail anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine fragmentarische Darstellung im Längsschnitt durch die Welle einer Turbine mit einer schematischen Illustration der Systemkomponenten für das Dampf/Luft-Kühlsystem für die Turbinenstufen;
Fig. 2 eine vergrößerte fragmentarische Ansicht eines Längsschnitts durch die Welle der Turbine mit einer Illustration der ersten und zweiten Turbinenstufen sowie einer zweiten Düsenstufe;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, bei der Teile ausgebrochen sind, um die Kühlkanäle in einer Düsenschaufel der Düse der zweiten Stufe zu veranschaulichen;
Fig. 4 eine fragmentarische vergrößerte Querschnittsansicht mit der Darstellung eines Dichtungssitzes zwischen dem Diaphragma der Düse der zweiten Stufe und der Dichtungsfläche eines Abstandshalters sowie weiter mit der Darstellung der Dampf strömung von dem festen Diaphragma durch den Abstandshalter in die Kammern;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Turbinenschaufel;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Schaufel zur Illustration der verschiedenen Dampf-Kühlpfade;
Fign. 7 - 10 schematische Blockdarstellungen verschiedener Betriebsstufen des Kühlsystems der Turbine mit einer Illustration der Steuersysteme dafür und
Fig. 11 eine fragmentarische Querschnittsansicht in Längsrichtung zur Illustration eines Luft-Bypass-Kreises für die Radabstandsräume.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungsfiguren

Es wird nun detailliert Bezug genommen auf eine vorliegende bevorzugte Ausführung der Erfindung, von der ein Beispiel in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Aus Gründen der Klarheit wird die folgende Beschreibung zunächst mit Hinblick auf die Düsen- und Turbinenstufen der Gasturbine beginnen, und zwar im wesentlichen wie in meiner früheren Anmeldung ausgeführt, gefolgt dann von einer Beschreibung des vorliegenden integrierten Dampf/Luft-Kühlsystems und seiner Arbeitsweise.
Mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 ist dort ein allgemein mit 10 bezeichneter Abschnitt einer Gasturbine mit einem kombinierten Zyklus dargestellt, die erste und zweite Turbinenstufen 12 bzw. 14 sowie eine zweite Düsenstufe 16 enthält. Jede der ersten und zweiten Turbinenstufen weist, wie in Fig. 2 dargestellt, mehrere Turbinenschaufeln 18 bzw. 20 auf, die an Fußstücken (pedestals) 22 und 24 angebracht sind, welche ihrerseits auf Turbinenrädem 26 und 28 befestigt sind. Ein Abstandshalter 30 ist axial zwischen den Rädern 26 und 28 angeordnet und drehbar damit befestigt und weist eine dichtende Oberfläche 32 für die Abdichtung gegen die innere Fläche eines festen Diaphragmas 34 auf, das einen Teil der zweiten Düsenstufe 16 bildet. Die innere Fläche des Diaphragmas 34 bildet vorzugsweise eine Labyrinthdichtung mit der äußeren Oberfläche 32 des Abstandshalters 30. Die zweite Düsenstufe 16 enthält mehrere feste, sich radial nach außen erstreckende Schaufeln 46, die am Umfang im Abstand voneinander angeordnet sind und sich radial nach außen vom Diaphragma 34 zu einem Turbinenlagerrahmen 36 hin erstrecken. Die Turbinenwelle ist schematisch durch die unterbrochene Linie 38 dargestellt. Es wird erkennbar sein, daß Gas von den Turbinenbrennkammern T.C. (vgl. Fig. 1) im allgemeinen in axialer Richtung, z.B. von links nach rechts in Fig. 2, durch die Düsen 39 der ersten Stufe zum Antrieb der ersten Turbinenstufe strömt, welches Gas sodann durch die festen Düsen der zweiten Stufe zum Antrieb der zweiten Turbinenstufe strömt.
Zur Integration von Dampf- und Luftkühlungskreisen in einer einzelnen Gasturbine wird Dampf von einer Dampf zuführung ST (vgl. Fig. 1) der Turbine mit kombiniertem Zyklus durch einen Verteiler 40 mit einem Paar von Verzweigungen 42 geführt, das mit den Rohrleitungen 44a und 44b gekoppelt ist, die sich ihrerseits radial nach innen längs dem Innenraum jeder Düsenschaufel 46 erstrecken. Die Rohrleitungen 44a und 44b führen durch das Diaphragma 34 und münden längs der inneren Fläche des Diaphragmas an den angrenzenden Dichtungsflächen des Diaphragmas 34 und des Abstandshalters 30. Der Dampfstrom gelangt sodann durch die Injektordüsen 48 und 50 des Abstandshalters 30 innerhalb der Dichtungsfläche 32 des Abstandshalters in die inneren Kammern 42 und 54 auf in axialer Richtung gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters 30. Der Dampf in den Kammern 52 und 54 steht in Verbindung mit den Einlaßöffnungen in den Sockeln neben den Fußbereichen der Turbinenschaufeln 18 und 20, um Kühldampf auf die Turbinenschaufeln zu liefern. Der Dampf tritt an den Spitzenbereichen der Schaufeln 18 und 20 aus in die Ummantelungen 56 bzw. 58.
Dampf wird ebenfalls in die Kammern 52 und 54 von einer Stelle neben der Welle 38 eingelassen. Beispielsweise wird Dampf durch einen sich in axialer Richtung erstreckenden Kanal 60 eingelassen für eine Strömung in die Räume zwischen dem Abstandshalter 30 und den Rädem 26 und 28 sowie durch die Kanäle 62 in die Kammern 52 und 54. Diese kombinierte Dampfströmung verläuft sodann zur Kühlung der Schaufeln durch die Turbinenschaufeln. Das Mischen der beiden Gasströme in den Kammern 52 und 54 minimiert oder eliminiert unerwünschte Wirbelzirkulationszellen in den Hohlräumen, die andernfalls auftreten könnten.
Wie in Fig. 3 hierzu dargestellt ist, ist jede Rohrleitung 44a und 44b in der Schaufel 46 eingeschlossen in einem Einsatz 62a und 62b, der sich über die volle Länge der Schaufeln gemeinsam mit den Rohrleitungen 44a bzw. 44b erstreckt. Jeder Einsatz 62a und 62b umgibt eine entsprechende Rohrleitung 44a und 44b zur Bildung eines Luftkanals zwischen ihm und der Rohrleitung. Luft wird in die Kanäle 62a und 62b über Luftkammern 66 eingelassen, die im Rahmen der Turbine gebildet sind. Jeder Einsatz 62a und 62b ist mit mehreren sehr kleinen Öffnungen 67 ausgestattet, wodurch Druckluft in den Kanälen 64a und 64b durch die Öffnungen in die entsprechenden Hohlräume 68a und 68b expandieren kann, die zwischen den Einsätzen und den inneren Wandungen der Schaufeln 46 gebildet sind. Die Rohrleitungen 44a und 44b tragen auf ihren äußeren Oberflächen Rippen 70a und 70b, welche eine verwirbelte Strömung der Kühlluft in den Kanälen 64a bzw. 64b bewirken. Die verwirbelten Luftströmungen über die Rippen verbessern die Fähigkeit zum Abführen zusätzlicher Konvektionsenergie von den Wandungen der Rohrleitungen 44a und 44b. Zweitens verbessern die Rippen die direkte Wärmeübertragung von den Rohrwandungen auf die Luft. Somit wird die Temperatur des durch die Rohrleitungen 44a und 44b strömenden Dampf s vermindert, während die Luft die Wärmeenergie auf die Wandungen der Einsätze leitet. Die Kühlluft in den Kanälen 64a und 64b expandiert durch die Prallöffnungen 67 in die Hohlräume 68a und 68b unter Bildung einer Vielzahl von Kühlluftströmen, die auf die inneren Wände der Schaufeln 46 auftreffen.
Auf den Einsätzen 62a bzw. 62b sind Stromverteilerröhrchen 72a und 72b vorgesehen. Vorzugsweise sind die Verteilerröhrchen spiral- oder wendelförmig, um die Luftströmung in eine radial nach innen gerichtete wendelförmige Strömungsrichtung zu lenken und somit die Wärmeübertragungsrelation mit den Innenwänden der Düsenschaufeln 46 zu verbessern. Wie dargestellt ist, sind viele radial in Abstand angeordnete Öffnungen 74 längs der hinteren Kante jeder Schaufel 46 vorgesehen, die in Verbindung mit dem Hohlraum 68b stehen, um die Kühlluft in den Gasstrom zu entlüften. Die Hohlräume 68a und 68b stehen weiter über dem Entlüftungszwischenraum mit dem Inneren des Diaphragmas 34 in Verbindung. Das Innere des Diaphragmas 34 steht seinerseits über die sich in axialer Richtung öffnenden Löcher 78 in Verbindung mit dem Gasstrom durch die Turbine.
Die Turbinenschaufel 18 der ersten Stufe ist auf ihrem Fußteil 22 montiert. Jede Turbinenschaufel 18 besitzt eine Kühlschlangenanordnung, die vorzugsweise vier gesonderte Kühlkreise enthält, welche sich von einer Stelle neben dem Fußbereich der Schaufel zu ihrem Spitzenbereich erstrecken. Der Kreis an der Vorderkante enthält einen in radialer Richtung geraden ein-zügigen Kanal 80, der benachbart zu seinem Fußbereich in Verbindung steht mit einer Einlaßöffnung zur Dampf aufnahme von der Kammer 52. Der Kanal 80 besitzt eine Auslaßöffnung benachbart zu seinem Spitzenbereich für einen Gasstrom von der Schaufel in die Ummantelung 56. An der Hinterkante ist ein ein-zügiger Kreis vorgesehen und enthält einen Kanal 82, der benachbart zu seinem Fußbereich mit einer Einlaßöffnung zur Dampfaufnahme von der Kammer 52 in Verbindung steht. Der Kanal 82 erstreckt sich radial nach außen durch die Schaufel und tritt durch eine Auslaßöffnung in ihrem Spitzenbereich für einen Dampfstrom in die Ummantelung 56 aus. Der Kanal 82 an der hinteren Kante steht weiter in Verbindung mit mehreren radial im Abstand angeordneten Kanälen 84, die sich über Öffnungen 104 an der Hinterkante der Schaufel 18 öffnen. Die beiden Zwischenkreise weisen drei-zügige in Strömungsrichtung vordere bzw. hintere Kreise auf. Der in Strömungsrichtung vordere Kreis enthält einen Kanal 86, der in Verbindung steht mit einer Einlaßöffnung benachbart zum Fußbereich der Schaufel zur Dampf aufnahme von der Kammer 52. Der Dampf strömt von Fußbereich durch den Kanal 86 zum Spitzenbereich, in radialer Richtung nach innen zurück durch einen zweiten Kanal 88 und erneut in Richtung auf den Spitzenbereich durch einen Kanal 90. Der hintere drei-zugige Kreis enthält in gleicher Weise einen Kanal 92 mit einer Einlaßöffnung in der Nähe des Fußbereichs, der in Verbindung steht mit einer Kammer 52 zur Dampf führung radial nach außen durch den Kanal 92 in Richtung auf den Spitzenbereich, zurück in Richtung auf den Fußbereich über den Kanal 94 und dann erneut über den Kanal 96 in Richtung auf den Spitzenbereich zum Austritt in die feste Ummantelung 56. Die mehrzügigen in Strömungsrichtung vorderen und hinteren Zwischenkreise sind so angeordnet, daß der letzte Zug in jedem Kreis im wesentlichen in der Mitte oder auf dem halben Weg der Flügelform der Schaufel liegt, wie das in Fig. 5 veranschaulicht ist, d.h. durch die Känäle 90 und 96. Die Kanäle sind auf diese Weise so angeordnet, daß die letzten Kanäle in dem Bereich des Flügels liegen, der die niedrigste Metalltemperatur aufweist.
Es ist von Bedeutung, daß Dampfkühlung in der Nachbarschaft des Staupunkts oder Staubereichs des Flügels vorgesehen wird. Der Stau- oder Anstellbereich (pitch area) des Flügels ist im wesentlichen ein Bereich längs dem Mittenbereich der vorderen Flügelkante. Es ist wichtig, den Staubereich zu kühlen, da die Temperatur die Schmelztemperatur der Schaufel erreichen kann. Um diese ernste thermische Bedingung auszuschalten, wird beispielsweise während des Gießvorgangs eine Aussparung bzw. Vertiefung 98 in der vorderen Schaufelkante gebildet. Die Vertiefung 98 enthält ein poröses Material 100, beispielsweise ein gewobenes Drahtgeflecht von hoher Dichte. Die Vertiefung 98 liegt in direkter Verbindung mit dem ein-zügigen Kanal 80 der vorderen Kante für eine Dampfzufuhr an die Vertiefung und durch das Geflechtmaterial zum Ausströmen entlang der gegenüberliegenden Seiten der stromlinienförmigen Schaufel. Somit wird auf die Vorderkante eine Transpirationskühlung angewendet.
Es wird eine Filmkühlung sowohl für die Saug- wie auch für die Druckseiten der Schaufel vorgesehen. Insbesondere sind auf der Druckseite des Flügels Kühlkanäle 102 im Abstand über die Länge der Schaufel und in Verbindung stehend mit dem ersten Kanal 86 des in Strömungsrichtung vorderen Zwischenkreises vorgesehen. Der erste Kanal 86 wird benutzt als Kühlzufuhr für das Dünnfilm-Kühlmittel auf der Druckseite, weil der Strahlungswärmefluß entlang dem vorderen Bereich der Druckseite des Flügels besonders stark ist. Auf der Saugseite liegen eine Reihe von Kanälen 106 in Verbindung mit dem letzten Kanal 96 des hinteren Kühlkreises, um eine Filmkühlung längs der Saugseite zu bewerkstelligen. Kanäle 106 sind entlang dem Tragf lügel im wesentlichen dort angeordnet, wo die Grenzschicht sich verdickt, was die thermische Konvektionsbelastung auf dieses Teil erhöht. Somit verbessert die Dünnfilmkühlung die Wärmeübertragungsrelation entlang diesem Bereich des Flügels, der früher durch die Grenzschicht von einer wesentlichen Wärmeübertragung abgehalten war.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist dort ein System zur Luftkühlung der Turbine während des Startens oder Abschaltens oder bei abnormalen Bedingungen gezeigt, wenn kein Dampf zur Verfügung steht. Das Luftkühlsystem enthält einen über die Rohrleitung 150 mit dem Turbinenverdichter in Verbindung stehenden Kanal für eine Luftströmung benachbart zur Welle und vorbei an einem sich drehenden Düsenring 120. Ebenfalls vorgesehen ist ein nicht drehbares ringformiges Düsenteil 121, das von einer Magnetspule 5 bewegbar ist, um einen normalerweise geschlossenen Luftspalt 122 zu bilden. Die Betätigung der Magnetspule S kann vorgesehen werden über einen Satz von Pyrometern 124 (vgl. Fig. 2), die benachbart zu den Spitzen der Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe zum Abfühlen der Metalltemperatur der Schaufeln installiert sind. Die Pyrometer weisen einen bekannten Aufbau auf und geben elektrische Signale ab, die an Analog-Verarbeitungseinheiten zur Verstärkung und zur Steuerung der Magnetspule S weitergeleitet werden können. Wenn infolgedessen eine Schaufel eine Temperatur oberhalb einer vorbestimmten Temperatur erreicht, fühlen die Pyrometer diese Temperatur ab und betätigen die Magnetspule S zur Öffnung des Luftspalts 122, wodurch Luft entlang der Welle und radial nach außen durch den Spalt 122 in den Raum zwischen den Rädem und dem Abstandshalter strömen kann. Die Luft kann dann radial nach außen strömen in die Kammern 52 und 54, um in die serpentinenförmigen Kanäle der Turbinenschaufeln der ersten Stufe sowie in die radialen geraden Kanäle der Turbinenschaufeln der zweiten Stufe zu strömen, wie vorher beschrieben wurde.
Mit nunmehrigem Bezug auf Fig. 1 werden die Luft- und Dampfkühlungszufuhr der Turbine sowie die Steuersysteme beschrieben. Das Luftkühlsystem enthält eine Zwischendruck- Entnahmeöffnung 140 des Verdichters C, die über die Leitung 142 in Verbindung steht mit einem Drei-Wege-Steuerventil 45 für die Zufuhr von Kühlluft zu den Kammern 66 um die Rohrleitungen 44, zum Austritt in das Diaphragma 34 und in den Gasstrom, der in die Räderzwischenräume 146 eintritt. Kühlluft wird weiter von einer Hochdruck-Entnahmeöffnung 148 des Verdichters G für eine Strömung über eine Leitung 150 benachbart zur Laufschaufel (Rotor) 38 bereitgestellt. Wird die Magnetspule S zum Öffnen des Luftspalts 122 betätigt, strömt Kühlluft durch die Kammern auf gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters 30 durch Kanäle 62 des Abstandshalters in die Kammern 52 und 54 sowie in die Kanäle der Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe. Ummantelungen 152 sammeln die Luft und leiten sie über Leitungen 154 in einen Wärmetauscher 166 für die Rückführung über die Leitung 168 entweder zum Brennkammer-Regler 170 oder zur Verdichter-Auslaßöffnung 172. In diesen Leitungsführungen werden geeignete Steuerventile vorgesehen für die Auswahl des Rückführungspfades entsprechend den für eine bestimmte Installation geltenden Anforderungen hinsichtlich der Brennkammeremisson.
Mit Bezug auf den Kreis für die Dampfzufuhr wird Dampf von einer Dampfzuführung ST über einen Wärmetauscher 174 zur Versorgung der Kühlrohrleitungen 44a und 44b der Düsen der zweiten Stufe mit Kühldampf zugeführt über eine Meßeinrichtung 176, einen Strömungsmesser 178, Leitungen 180 und 182 sowie einen Verteiler 184 (vgl. Fig. 2), der in Verbindung mit den Rohrleitungen 44a und 44b steht. Der Dampf strömt durch die Rohrleitungen, kühlt die Düsenschaufeln der zweiten Stufe und strömt in die Kammern 52 und 54, um unter dem Einfluß von Zentrifugalkräften radial nach außen durch die Kanäle in den Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe zu strömen. Der Dampf tritt aus den Kanälen der Turbinenschauf eln aus über Leitungen 154, um in den Wärmetauscher 166 zu strömen. Dampf wird ebenfalls zugeführt von einer Leitung 190, die bei geöffnetem Ventil 192 Dampf durch den Kanal 60 in die Zwischenräume auf gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters 30 und in die Kammern 52 und 54 führt zum Mischen mit dem Dampf, der in diese Kammern von den Düsenschaufeln der zweiten Stufe eintritt. Das Mischen des Dampfs von den beiden Dampfpfaden verbessert die Dampfströmung in die Schaufeln der ersten und zweiten Stufe ohne unerwünschte Wirbelzirkulationszellen in den Hohlräumen. Die Ummantelungen 56 und 58 in der Nachbarschaft der Spitzen der Turbinenschaufeln sammeln den Dampf für eine Strömung über die Leitungen 154 durch den Wärmetauscher 166.
Die Arbeitsweise des Kühlsystems wird nun mit besonderer Bezugnahme auf die Zeichnungen in den Figuren 1 und 7 - 10 beschrieben, in denen Dampfkühlleitungen durch ausgezogene Linien, Luftkühlleitungen durch strichpunktierte Linien und Turbinengasströmung durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Während des Turbinenstarts ist für den Gasturbinenkreislauf kein Dampf verfügbar. Somit wird der Luft-Kühlkreislauf aktiviert, um die Turbinenschaufeln zu kühlen. Mit Bezug auf die Figuren 1, 2 und 7 strömt Kühlluft von der Zwischendruck-Entnahmeöffnung 140 durch die Leitungen 142 und 180 in die Düsenschaufeln 46 der zweiten Stufe zur Kühlung der Düsenwände über den vorhergehend beschriebenen Wärmeübertragungsmechanismus. Die Kühlluft tritt aus dem Diaphragma aus in die Radzwischenräume 146 und vermischt sich mit der Gasströmung durch die Turbine. Zur Kühlung der Turbinenschaufeln wird die Magnetspule 5 betätigt, um den Luftspalt 122 zu öffnen. Aus der Hochdruck-Verdichterquelle 148 entnommene Luft wird zugeführt über die Leitung 150 vorbei an dem offenen Ventil 122 in die Bereiche auf gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters 30 und über Kanäle 62 in die Kammern 52 und 54 zur Strömung durch die verschiedenen Kanäle der Turbinenschaufeln, um die Schaufeln 18 und 20 zu kühlen. Die Ummantelungen 56 und 58 sammeln die Luft für eine Weiterleitung über die Leitungen 154 an den Wärmetauscher 166 und für die Rückführung über die Leitung 168 entweder auf den Brennkammer-Regler 170 oder auf die Verdichter-Auslaßöffnung 172. Eine Hochdruck-Bypass-Entnahmeleitung 200 liefert Luft an die Rohrleitungen des Wärmetauschers 166 zum Kühlen der Luft von den Turbinenschaufeln und zum Aufheizen des Bypass-Stroms. Der Wärmetauscher wirkt somit als ein Regenerator und die Bypass- Strömung kehrt zurück zu dem Gaskreislauf entweder an der Verdichter-Auslaßöffnung oder am Brennkammer-Regler 170. Da die Rückführung für die Bypass-Strömung nahe bei dem Luftentnahmepunkt liegt, bildet dieser Bypass-Kreis einen ersten geschlossenen Luftkreislauf. Die gekühlte Luft von der Außenhaut des Wärmetauschers 166 kann über die Leitungen 202 und 180 in den Verteiler 40 über die Leitung 182 zum Kühlen der Düsenschaufeln der zweiten Stufe strömen, wie vorher beschrieben wurde. Dieses bildet den zweiten geschlossenen Luftkreislauf während des Startbetriebs.
Für den Übergang von Luftkühlung auf Dampfkühlung und mit Bezugnahme auf die Figuren 1 und 8 wird der Dampf in den Zuführleitungen vorgeheizt auf eine Überhitzung von mindestens 50ºF (10ºC). Zum Aufwärmen der Dampf-Zuführungsleitungen ist eine Aufwärm-Ablaß(drain)verbindung mit einem Hochdruck-Thermostat-Dampffalle (steam trap) vorgesehen. Insbesondere wird zugelassen, daß der Dampf durch die Meßeinrichtung 176, ein Sperrventil 206 und Aufwärm-Ablaßventile 208 zu einer thermostatischen Falle 210 strömt. Die Abschaltventile 192 sind geschlossen. Bei jedem Abschalten der Gasturbine werden die Aufwärm-Ablaßventile 208 ebenfalls geöffnet gehalten, und zwar bei geschlossenem Abschaltventil 192.
Wie man sich erinnert, werden die Turbinenschaufeln im Startbetrieb mittels Entnahmeströmen von der Hochdruck-Verdichterquelle bei geöffneten Magnetventil 5 gekühlt. Düsen- Kühlluft strömt durch das Steuerventil 45 in die Düsenschaufeln und entweicht in die Gasströmung. Wenn die Temperatur und der Druck des Dampf-Strömungsmessers 176 auf einem vorbestimmten Wert sind, wird der Dampfturbine Dampf zugeführt. Im einzelnen sind die Ventile 208 geschlossen und die Ventile 192 geöffnet. Das Magnetventil S schließt, um den Luftstrom über den Spalt 122 auf die Turbinenschaufeln abzuschalten. Infolgedessen strömt im Normalbetrieb Dampf von der Dampf zuführung 5 in der vorher beschriebenen Weise in die inneren und äußeren Kreisläufe.
Insbesondere strömt im normalen Dampfbetrieb Dampf von der Dampf zuführung ST über die Leitung 180 (vgl. Figuren 1 und 9) in den Verteiler 40 in einem inneren Kreis zur Mischung mit Dampf, der über die Leitung 190 und den Kanal 60 den Radkammern 52 und 54 zugeführt wird. Der kombinierte Dampf strömt über die Leitungen 154 von den Turbinenschaufeln zum Wärmetauscher 166. Gleichzeitig wird Hochdruck-Entnahmeluft über die Leitung 200 abgeleitet und die Magnetspule S wird de-aktiviert, um den Luftspalt 122 zu schließen. Diese abgeleitete Luft strömt in Wärmetauschrelation mit dem Dampf von den Turbinenschaufeln, um die Luft auf zuheizen und um den Dampf zu kühlen, wobei der Wärmetauscher 166 als Regenerator dient. Die abgeleitete Luft strömt sodann entweder auf den Brennkammer-Regler oder zur Auslaßöffnung des Verdichters, und zwar abhängig von den Emissionsanforderungen an die Verbrennung. Der Dampfstrom durch den Wärmetauscher 166 kann dann zum Brennkammer-Regler 170 oder zur Auslaßöffnung des Verdichters 172 geleitet werden, und zwar beide Male über die Leitung 201. Alternativ kann der Dampf in einer geschlossenen Schleife über einen Regler 207, ein Drei-Wege-Ventil 209, den Wärmetauscher 174 und ein Absperrventil 211 zur Meßeinrichtung 176 strömen, um den äußeren Dampfkreis zu vollenden. Weiter strömt im normalen Betrieb Dampf von der Dampf zuführung ST über die Leitung 180 mit dem offenen Drei-Wege-Ventil 44 zu den Kammern 66 für eine Kühlströmung in den Düsenschaufeln sowie für eine Strömung in den Gasstrom durch die Turbine.
Für den Fall des Auftretens von Fehlfunktionen in der Turbine oder im Kühlkreislauf mit einer resultierenden Zunahme der Gastemperatur über vorbestimmte Grenzwerte hinaus oder bei verringerter Kühlungsströmung fühlen Pyrometer 124 die erhöhte Temperatur der Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe ab. Durch eine geeignete Kopplung steuern die Pyrometer das Öffnen des Magnetventils S. Infolgedessen öffnet beim Erreichen hoher Temperaturen in den Turbinenschaufeln das Magnetventil und Entnahmeluft vom Verdichter gelangt in die Radzwischenräume sowie Kammern 52 und 54 und mischt sich mit dem Dampf strom zum Kühlen der Turbinenschaufeln. Dieses System ist in Fig. 10 dargestellt.
In existierenden Turbinenkonstruktionen wird Druckluft ausschließlich zum Kühlen der im heißen Gaspfad liegenden Teile angewendet. Im Falle der Kühlung von Turbinenschaufeln erfolgt eine Zwangsführung von Luft aus einer Hochdruck-Entnahmequelle, um radial nach innen in Richtung auf die Radzwischenräume 213 zu fließen, bevor sie weiter auf die Turbinenschaufeln strömt. Es wird angenommen, daß das Ausmaß der Strahlströmung in diesen Hohlräumen die Temperaturgradienten in den Turbinenrädem beeinflußt. Als Ergebnis dieses Umstands wird das Material der Turbine thermisch ermüdet. Letztlich beeinträchtigt dies die Laufschaufellebensdauer hinsichtlich der Kurzzeitermüdung (LCF - low cyde fatigue). Um dieses Problem auszuschalten, verhindert man, daß die Luftstrahlen (air jets) die Turbinenräder erreichen. Somit wird an der Schnittstelle zwischen dem Verdichterrad und dem Abstandsstück ein Bypass vorgesehen, um den Luftstrom von den Radzwischenräumen abzulenken. Dies ist in Fig. 11 gezeigt. Ebenfalls ist in dieser Figur die Verbindung zwischen dem rotierenden Düsenring 214 und der stationären Bypass-Leitungsführung 215 dargestellt. Luft strömt über die Leitung 217 von der Hochdruckquelle durch eine 90º Biegung. Etwas Luft entweicht in den Hohlraum 219 des stationären Rings, gelangt durch eine Dichtungsanordnung und expandiert durch die kleine Öffnung 221. Dies erzeugt um den rotierenden Düsenring 214 eine Umwälzzone und stellt somit für den Übergang von rotierenden auf stationäre Ringkomponenten eine effektive Abdichtung dar. Während der Dampfkühlung im normalen Betrieb ist das Magnetventil S geschlossen. Die Entnahmeluft strömt zum Regenerator 166, um vor der Rückkehr in den Gasturbinenzyklus Wärme von dem Dampf aufzunehmen. Dies schließt den geschlossenen Luftkreislauf mit dem Vorteil der Verbesserung des LCF-Problems der Turbinenlauf schaufeln aufgrund der Hochdruck- Kühlluftentnahme.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit dem beschrieben worden ist, was als die am meisten praktikable und bevorzugte Ausführung angesehen wird, sollte jedoch Verständnis darüber bestehen, daß die Erfindung nicht beschränkt ist auf das beschriebene Ausführungsbeispiel, sondern es im Ge genteil beabsichtigt ist, verschiedene Modifikationen und aguivalente Anordnungen abzudecken, die in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims

1. Integriertes Dampf/Luft-Kühlsystem für eine Gasturbine, enthaltend:

ein Paar axial im Abstand angeordneter drehbarer Turbinenstufen (12, 14), die jeweils mehrere Turbinenschaufeln (18, 20) für eine Anordnung in einer Gasströmung durch die Turbine aufweisen,

wobei wenigstens bestimmte Turbinenschaufeln (18, 20) jeweils wenigstens einen inneren Kanal (80) aufweisen,

eine Düsenstufe (16) zwischen den Turbinenstufen (12, 14), die mehrere Düsenschaufeln (46) für eine Anordnung in der Gasströmung durch die Turbine enthält,

wobei wenigstens bestimmte Schaufeln (46) jeweils wenigstens einen inneren Kanal (44, 64) aufweisen,

eine Einrichtung (C) zum Zuführen von Kühlluft zu den inneren Kanälen (44, 64) für eine Luf tkühlung der Turbine,

eine Einrichtung (ST) zum Zuführen von Dampf zu den inneren Kanälen (44, 64) für eine Dampfkühlung der Turbine, gekennzeichnet durch:

eine Einrichtung (45, 60, 122, 192, S), die mit der Kühlluft-Zuführeinrichtung (C) und der Dampf-Zuführeinrichtung (ST) zusammenarbeitet, um einen Übergang zwischen der Luftkühlung der Turbine und der Dampfkühlung der Turbine herbeizuführen.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens die bestimmten Düsenstufenschaufeln zwei innere Kanäle (44, 64) haben, die Kühlluft-Zuführeinrichtung (C) Kühlluft einem (64) der zwei inneren Kanäle während der Dampfkühlung der Turbine zuführt, die Dampf-Zuführeinrichtung (ST) Dampf zu dem anderen (44) der zwei inneren Kanäle während der Dampfkühlung der Turbine zuführt, wodurch eine kombinierte Dampf- und Luftkühlung der Turbine herbeigeführt ist.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, enthaltend eine Turbinenwelle (38), einen Abstandshalter (30) zwischen den Turbinenstufen und drehbar damit, Räder (26, 28) um die Welle, die die Turebinenschaufeln (18, 20) befestigen und mit axialem Abstand von und auf gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters (30) angeordnet sind, um Kammern (52, 54) auf axial gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters (30) zu bilden, wobei die Kühlluft-Zuführeinrichtung (C) einen Kühllufteinlaß (150) neben der Welle zum Zuführen von Kühlluft zu den Kammern (52, 54), ein Ventil (122), das zwischen Öffnungs- und Schließstellungen bewegbar ist, um die Kühlluftströmung von der Kühlluft-Zuführeinrichtung (C) durch den Lufteinlaß selektiv zu steuern, einen Wärmetauscher (166), eine Einrichtung (154) aufweist, die während der Dampfkühlung der Turbine zum Leiten von Dampf von den Kanälen (80) der Turbinenschaufeln (18, 20) zu dem Wärmetauscher betreibbar ist, und wobei die Kühluft-Zuführeinrichtung (C) einen Luft-Pypass-Kreis (200), um Luft von der Kühlluft-Zuführeinrichtung (C), wenn das Ventil in der Schließstellung ist, zu dem Wärmetauscher (166) in Wärmeaustauschrelation mit dem zugeführten Dampfleiten, um die Luft zu erwärmen, und eine Einrichtung (201) aufweist, um die erwärmte Luft in die Gasströmung der Turbine zu leiten.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Turbine eine Brennkammer (TC) mit einem Brennkammer-Regler und einen Verdichter (C) mit einer Auslaßöffnung (140) aufweist, wobei die erwärmte Luft zuführende Einrichtung in der Lage ist, die erwärmte Luft dem Brennkammer-Regler oder der Verdichterauslaßöffnung zuzuführen.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, enthaltend eine Turbinenwelle (38), einen Abstandshalter (30) zwischen den Turbinenstufen (12, 14) und drehbar damit, Räder (26, 28) um die Welle, die die Turbinenschaufeln (18, 20) befestigen und mit axialem Abstand von und auf gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters (30) angeordnet sind, um auf axial gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters (30) Kammern (52, 54) zu bilden, wobei die Dampf-Zuführeinrichtung (ST) einen Verteiler (40) um radial äußerste Abschnitte der Düsenschaufeln (46) in Verbindung mit den inneren Kanälen (44) der Düsenschaufeln zum Zuführen von Dampf während der Dampfkühlung der Turbine, einen Kanal (60) benachbart zur Welle zum Zuführen von Dampf zu den Kammern aufweist, wobei die Kammern in Strömungsverbindung mit den Turbinenschaufelkanälen (80) liegen, wodurch von dem Kanal (60) und den Düsenschaufeln (46) den Kammern (52, 54) Kühldampf zugeführt wird für eine Strömung zu den Turbinenschaufeln (18, 20).

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, mit einer Turbinenwelle (38), wobei die Kühlluft-Zuführeinrichtung (C) einen Kühllufteinlaß (150) benachbart zur Welle zum Zuführen von Kühlluft zu den inneren Kanälen (80) der Turbinenschaufeln (18, 20), ein Ventil (122) zum selektiven Steuern der Kühlluftströmung durch den Lufteinlaß (150), einen Sensor (124) zum Abfühlen der Temperatur der Turbinenschaufeln (18, 20) und eine Einrichtung (S) aufweist, die darauf anspricht, wenn der Sensor eine vorbestimmte Temperatur der Schaufeln (18, 20) abfühlt, um das Ventil (122) zu öffnen, damit Kühlluft durch den Kühllufteinlaß (150) eingelassen wird.

7. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, enthaltend eine Turbinenwelle (38), einen Abstandshalter (30) zwischen den Turbinenstufen (12, 14) und drehbar damit, Räder (26, 28) um die Welle, die die Turbinenschaufeln (18, 20) befestigen und mit axialem Abstand von und auf gegenliberliegenden Seiten des Abstandshalters (30) angeordnet sind, um Kammern (52, 54) auf axial gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters (30) zu bilden, wobei die Dampf-Zuführeinrichtung (ST) erste und zweite Dampfzuführkreise aufweist, wobei der erste Kreis eine Dampfzufuhr (190), einen Kanal (60) benachbart zur Welle und in Verbindung mit der Dampf zufuhr (190) zum Zuführen von Dampf zu den Kammern (52, 54) und den inneren Kanälen (80) der Turbinenschaufeln (18, 20) aufweist, und wobei der zweite Dampf-Zuführkreis eine zweite Dampf zufuhr (180), einen Verteiler (40) um die Düsenschaufeln (46) zum Zuführen von Dampf von der zweiten Dampfzuführung (180) zu den inneren Kanälen (44) der Düsenschaufeln (46), eine Einrichtung (48, 50) in Verbindung zwischen den inneren Kanälen (44) der Düsenschaufeln (46) und den Kammern (52, 54) aufweist zum Vereinigen von Dampf aus dem ersten Kreis in den Kammern (52, 54) mit Dampf von dem zweiten Kreis in den Kammern (52, 54), wodurch der vereinigte Dampf der ersten und zweiten Kreise durch die inneren Kanäle (80) der Turbinenschaufeln (18, 20) strömt.

8. Verfahren zum Betreiben einer Kühleinrichtung in einer Gasturbine mit einem Paar axial beabstandeter, drehbarer Turbinenstufen (12, 14), die jeweils mehrere Turbinenschaufeln (18, 20) haben für eine Anordnung in einer Gaströmung durch die Turbine, wobei wenigstens bestimmte Turbinenschaufeln (18, 20) jeweils wenigstens einen inneren Kanal (80) aufweisen, einer Düsenstufe (16) zwischen den Turbinenstufen (12, 14) und mit mehreren Düsenschaufeln (46) für eine Anordnung in der Gasströmung durch die Turbine, wobei wenigstens bestimmte der Schaufeln (46) jeweils wenigstens einen inneren Kanal (44, 64) aufweisen, gekennzeichnet durch die Schritte:

zunächst wird Kühlluft zu den inneren Kanälen (80) der Turbinenschaufeln (18, 20) zugeführt, um für eine Luftkühlung der Turbine während des Startens der Turbine zu sorgen, anschließend wird Dampf zu den inneren Kanälen (80) der Turbinenschaufeln (18, 20) zugeführt, um für eine Dampfkühlung der Turbine während des normalen Betriebs der Turbine nach dem Turbinenstart zu sorgen, und

ein Übergang zwischen Luf tkühlung der Turbine und Dampfkühlung der Turbine wird durch eine Einrichtung (45, 60, 122, 192, S) herbeigeführt, die mit der Kühlluft-Zuführeinrichtung und der Dampf-Zuführeinrichtung zusammenarbeitet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei während des normalen Betriebs der Turbine die Turbine allein durch Dampfkühlung gekühlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Dampf, der zum Kühlen der Turbine während des normalen Betriebs verwendet ist, durch einen Wärmetauscher (166) abgegeben wird, die Turbine einen Verdichter (C) aufweist zum Zuführen von Kühlluft (200) von dem Verdichter (C) zu dem Wärmetauscher (166) in einer Wärmetauscherrelation mit dem abgegebenen Dampf (154) aus den Turbinenschaufeln (18, 20), um die Luft zu erwärmen, und die Luft aus dem Wärmetauscher (166) in die Turbinengasströmung (172) geleitet wird.