DE102012023626A1

DE102012023626A1 - Hochdruck-Verdichter, insbesondere einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102012023626A1
Application number: DE102012023626A
Authority: DE
Inventors: Sergey Shchukin; Ernst Pauli; Daniel Seng
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-06-06
Also published as: CH705840A1; US20130170954A1; US9255479B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochdruck-Verdichter (12), insbesondere in einer Gasturbine, welcher einen Verdichter-Rotor (17) aufweist, der unter Ausbildung eines Haupt-Strömungskanals (25) von einem Stator (18, 19) umgeben ist und am Verdichter-Ausgang durch eine sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckende Endfläche (30) begrenzt ist, an der zur Kühlung in radialer Richtung Kühlluft (21) entlang geführt wird. Eine verlängerte Lebensdauer wird dadurch erreicht, dass die Endfläche (30) mit ersten Mitteln (23, 24) zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Kühlluft (21) und der Endfläche (30) versehen ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen-Technik. Sie betrifft einen Hochdruck-Verdichter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Ein stark vereinfachtes Schema für eine Gasturbine ist in 1 wiedergegeben: Die Gasturbine 10 der 1 umfasst einen Verdichter 12, welcher Umgebungsluft 11 ansaugt und verdichtet, eine Brennkammer 13, in welcher ein Brennstoff 14 unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt wird und ein Heissgas erzeugt, sowie eine mit Turbinenschaufeln ausgestattete Turbine 15, in welcher das Heissgas unter Arbeitsleistung entspannt und dann als Abgas 16 abgegeben wird.
Moderne Hochdruck-Verdichter (High-Pressure Compressors HPC) sind an ihren ausgangsseitigen Abschnitten vergleichsweise hohen Temperaturen ausgesetzt. Diese hohen Temperaturen verursachen ziemlich oft Probleme mit der Rotor-Integrität und mit entsprechenden Begrenzungen der Lebensdauer. Daher ist das Auftreten hoher Metalltemperaturen am Rotor des Hochdruck-Verdichters ein kritischer Faktor, der die Lebensdauer des Gasturbinen-Rotors beeinflusst und in die gesamten Wartungskosten der Maschine eingeht.
Die üblicherweise verwendete Rotorgeometrie von Hochdruck-Verdichtern soll an der Ausgangsseite eine glatte Oberfläche der Rotorscheibe haben, entlang der Luft radial in die eine oder andere Richtung geblasen wird. Im Falle, dass die Luft zur Kühlung der Rotorscheibe verwendet wird, ergibt sich der Nachteil, dass die Kühlwirkung nicht gross genug ist und die Luft den ausgangsseitigen Hohlraum verlässt, ohne dass ihre volle Kühlkapazität ausgeschöpft worden ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Hochdruck-Verdichter der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass er im Bereich der ausgangsseitigen Rotorscheibe mit deutlich verbesserter Wirkung gekühlt wird.
Diese und andere Aufgaben werden durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einem Hochdruck-Verdichter, welcher einen Verdichter-Rotor aufweist, der unter Ausbildung eines Haupt-Strömungskanals von einem Stator umgeben ist und am Verdichter-Ausgang durch eine sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckende Endfläche begrenzt ist, an der zur Kühlung in radialer Richtung Kühlluft entlang geführt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Endfläche mit ersten Mitteln zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Kühlluft und der Endfläche versehen ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Kühlluft und der Endfläche auf der Endfläche eine Mehrzahl von radial orientierten Schaufeln umfassen, die über den Umfang verteilt angeordnet sind und zwischen sich Kühlkanäle zum Führen der Kühlluft ausbilden.
Insbesondere sind die Schaufeln am Verdichter-Rotor angeformt.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln entgegen der Drehrichtung des Verdichter-Rotors gekrümmt ausgebildet sind.
Vorzugsweise gehorcht die Krümmung der Schaufeln einer Parabel, einer Hyperbel oder einer Funktion in Form eines Polynoms.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zweite Mittel vorgesehen sind, welche der auf die Endfläche auftreffenden Kühlluft eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente in Drehrichtung des Verdichter-Rotors aufprägen.
Insbesondere umfassen die zweiten Mittel eine im Stator angeordnete, konzentrische Turbulator-Düse, durch welche die Kühluft aus einem im Stator ausgebildeten Innenraum in Richtung auf die Endfläche austritt.
Die Turbulator-Düse kann dabei durch eine Gruppe entsprechender Schaufeln gebildet sein.
Die Turbulator-Düse kann aber auch durch tangential orientierte Bohrungen gebildet werden.
Eine noch andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Endfläche und dem Stator eine Kühlkavität ausgebildet ist, und dass die Kühlkavität vom Haupt-Strömungskanal durch eine Dichtung getrennt ist.
Die Erfindung umfasst auch eine Gasturbine mit einem erfindungsgemässen Hochdruck-Verdichter.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 ein stark vereinfachtes Schema für eine Gasturbine;
2 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt einer Gasturbine, der den ausgangsseitigen Bereich des Hochdruck-Verdichters wiedergibt; und
3 den Schnitt in der Ebene A-A in 2.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die im Rahmen der Erfindung vorgeschlagene Änderung in der Konfiguration des ausgangsseitigen Bereichs des Verdichter-Rotors soll dazu dienen, die Temperatur im Massivteil des Rotors bzw. der Rotorscheibe zu senken und bei Übergangszuständen auftretende Temperaturgradienten an der Ausgangsseite zu verringern.
Dazu wird einerseits die Oberfläche der Rotorscheibe (Endfläche) für einen verbesserten Wärmeübergang ausgelegt, um den Wärmefluss von der Luft zur Scheibe zu erhöhen. Andererseits wird die Kühlluft am Verdichter-Stator über Drallerzeuger zugeführt, um aufgrund der relativen Bewegung die Temperatur der Kühlluft herabsetzen zu können. Auf diese Weise wird eine sehr effektive Kühlung der Ausgangsseite des Verdichterrotors erreicht.
Gemäss 2 umfasst die Gasturbine im Bereich des Verdichter-Ausgangs einen Rotor 17, der von einem Statorinnenteil 18 und einem Statoraussenteil 19 umgeben ist, zwischen denen ein Haupt-Strömungskanal 25 ausgebildet ist. Der Verdichter 12 weist eine Beschaufelung auf, die auf dem Rotor 17 angeordnete Laufschaufeln 28 und am Statoraussenteil 19 befestigte Leitschaufeln 29 umfasst.
Kühlluft 21 wird der von einer sich in radialer Richtung erstreckenden Endfläche 30 begrenzten Ausgangsseite des Rotors 17 aus einem Innenraum 20 im Statorinnenteil 18 über eine Turbulator-Düse 22 zugeführt. Die Turbulator-Düse 22 kann aus einer Gruppe entsprechender Schaufeln oder tangential orientierten Bohrungen bestehen. Sie erzeugt Kühlluft mit einer tangentialen Geschwindigkeit in Richtung der Drehgeschwindigkeit (ω in 3). Dies ermöglicht die Verringerung der relativen Temperatur der Kühlluft, die auf der Rückseite des Verdichter-Rotors 17 auf die Endfläche 30 trifft, und minimiert die Reibungswärme und den Leistungsverlust.
Auf der Ausgangsseite bzw. Endfläche 30 des Verdichter-Rotors 17 (oder der letzten Verdichterscheibe) sind radial orientierte Schaufeln 23 ausgebildet und über den Umfang gleichmässig verteilt angeordnet. Zwischen den Schaufeln 23 entstehen Kühlkanäle 24, in denen die einströmende Kühlluft 21 radial von innen nach aussen geführt und schliesslich in den Haupt-Strömungskanal 25 ausgelassen wird.
Die Schaufeln 23 können in ihrem Verlauf einer bestimmten Funktion gehorchen, wie z. B. einer Parabel oder Hyperbel, oder einer anderen durch ein Polynom bestimmten Kurve. In jedem Fall sind die Schaufeln 23 jedoch entgegen der Drehrichtung gekrümmt (siehe 3), um den mit dem Pumpen der Luft verbundenen Leistungsverlust und die Erwärmung der Luft in den Kanälen 24 durch Reibung zu minimieren.
Die im Bereich der Schaufeln 23 zwischen dem Statorinnenteil 18 und dem Rotor 17 gebildete Kühlkavität 26 kann im Einzelfall auch vom Haupt-Strömungskanal 25 durch eine Dichtung 27 getrennt sein, wie dies in 2 gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbine
11: Lufteinlass
12: Verdichter
13: Brennkammer
14: Brennstoff
15: Turbine
16: Abgas
17: Rotor
18: Statorinnenteil
19: Statoraussenteil
20: Innenraum
21: Kühlluft
22: Turbulator-Düse
23: Schaufel
24: Kühlkanal
25: Haupt-Strömungskanal
26: Kühlkavität
27: Dichtung
28: Laufschaufel
29: Leitschaufel
30: Endfläche
ω: Drehgeschwindigkeit

Claims

Hochdruck-Verdichter (12), insbesondere in einer Gasturbine (10), welcher einen Verdichter-Rotor (17) aufweist, der unter Ausbildung eines Haupt-Strömungskanals (25) von einem Stator (18, 19) umgeben ist und am Verdichter-Ausgang durch eine sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckende Endfläche (30) begrenzt ist, an der zur Kühlung in radialer Richtung Kühlluft (21) entlang geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Endfläche (30) mit ersten Mitteln (23, 24) zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Kühlluft (21) und der Endfläche (30) versehen ist.
Hochdruck-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Kühlluft (21) und der Endfläche (30) auf der Endfläche (30) eine Mehrzahl von radial orientierten Schaufeln (23) umfassen, die über den Umfang verteilt angeordnet sind und zwischen sich Kühlkanäle (24) zum Führen der Kühlluft (21) ausbilden.
Hochdruck-Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (23) am Verdichter-Rotor (17) angeformt sind.
Hochdruck-Verdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln entgegen der Drehrichtung (ω) des Verdichter-Rotors (17) gekrümmt ausgebildet sind.
Hochdruck-Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Schaufeln (23) einer Parabel, einer Hyperbel oder einer Funktion in Form eines Polynoms gehorcht.
Hochdruck-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Mittel (22) vorgesehen sind, welche der auf die Endfläche (30) auftreffenden Kühlluft (21) eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente in Drehrichtung (ω) des Verdichter-Rotors (17) aufprägen.
Hochdruck-Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel eine im Stator (18, 19) angeordnete, konzentrische Turbulator-Düse (22) umfassen, durch welche die Kühluft (21) aus einem im Stator (18, 19) ausgebildeten Innenraum (20) in Richtung auf die Endfläche (30) austritt.
Hochdruck-Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulator-Düse (22) durch eine Gruppe entsprechender Schaufeln gebildet wird.
Hochdruck-Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulator-Düse (22) durch tangential orientierte Bohrungen gebildet wird.
Hochdruck-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Endfläche (30) und dem Stator (18, 19) eine Kühlkavität (26) ausgebildet ist, und dass die Kühlkavität (26) vom Haupt-Strömungskanal (25) durch eine Dichtung 27 getrennt ist.
Gasturbine (10) mit einem Hochdruck-Verdichter (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.