DE2003947A1

DE2003947A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE2003947A1
Application number: DE19702003947
Authority: DE
Inventors: Ohio Cincinnati; Stoeckly Eugene Emil; Bobo Melvin; Buckland Bruce Orient
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-01-29
Filing date: 1970-01-29
Publication date: 1970-07-30
Also published as: GB1291694A; AU1033770A; FR2029612A1; BE744919A; NL7000953A; US3565545A

Description

HEINZ LINSER · PATE »t A'fl WA'LT': PH Y S I K E R

6072 DREIEICHENHAIN BERLINER RING 2003947 RUF (06103) 81813

1571

GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road

Schenectady, N.Y./USA

Gasturbine

Die vorliegende Erfindung bezieht ich auf Verbesserungen "bei Gastubinen undinsbeso.dere auf Verbesserungen der Kühlung des Turbinenrotors in derartigen Maschinen.

Gasturbinen bestehen üblicherweise aus einem Kompressor zur Komprimierung von Luft» um die Verbrennung des Brennstoffes zur Erzeugung eines heießn Gasstromes zu unterstü*zen. Dieser heiße Gasstrom treibt eine Turbine an, die mit dem Kompressor verbunden ist und wird sodann verwendet, um eine Schubausgangsleistung oder •ine Wellenausgangsleistung aus der Maschine zu gewinnen. Um höhere -^etriebswirkungsgrade und Ausgangsleistungen zu erzielen, befindet sich der heiße Gasstrom, wenn er durch die Maschine strömt, auf einer Temperatur, die die physikalischen Fähigkeiten des Materials, aus dem die Turbinen hergestellt sind, übertreffen, insbesondere bei Berücksichtigung der hohen Belastungen, die auf den Turbinenrotor wirken.

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Dies führte zu vielen Vorschlägen, um für die Turbine Kühlsystem· " vorzusehen, insbesondere für jene Teile, die dem heißen Gasstrom ausgesetzt jind. Ein derarticer Vorschlag be.tent zum Beispiel darin, daß relativ kalte Luft, die von dem ft<aschinenkompresEor abgezweigt wird, durcn Λ-an^le umgelenkt wir'¹., wie in den Turbinenlaufschaufeln vorhanden sind. Die luihl.'.irkung stellt sicher, daß die Belastun^sfilhigkeiten des uchaufelsraaterials nicht überschritten wird una auch daß die Laufschaufeln unterhalb einer Temperatur gehalten werden, bei der ein Schmelzen oder Verbrennen vorK.onnien könnte.

W Eines der schwierigen Probleme, die beim Kühlen der Turbinenrotoren in dieser -'eise auftreten, besteht in der inneren Führung der Kühlluft aus dem Xo pressor zur Vurbine, die mit hohen Geschwindigkeiten rotiert. Üblicherweise wird die Kühlung im Innern des Maschinenverdichters im i<ebenstrom abgezweigt und uaxjx in uanMle geführt, die in dem Turbinenrotor vorhanden sin-j. Im allgemeinen weisen die Eingänge zu den RotorkanJilen eine Umfar.f-bgesch./indigkeit von einigen 1oo bis zu einigen 1ooo m/sec auf. wit der Zuführung von Kühlluft zum Turbinenrotor int daher unmittelbar verbunden, deß eine relativ große Arbeitsleistung der kühlluft zugeführt werden muss, um diese dem Hotor zuzuleiten. Die hineingesteckte Arbeitsleistung hat einer. Temperaturanstieg der Kühlluft

" zur Folge, wenn dier-.e in die Turbine _t ^r;^rlangt. Dies wiederum verringert die Kühlwirksamkeit einer bcstirr.ten Laftmasse beim Verringern der Temperatur der Laufschaufel und anderen Komponenten der Turbine, ..eiche gekühlt werden sollen.

Die Aufgebe der Erfindung besteht daher darin, eine derartige der Kühlluft zugeführte Arbeitsleistung auf ein Minimum zu bringen und ferner die Temperatur der Kühlluft, die in 4en Turtoinenrotor zur Kühlung dessen Komponenten gelangt, zu verringern.

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BAD ORiüij-ίΑί

Die oben genannten Aufgeben werden im weitesten Sinne bei einer Gasturbine, die einen Turbinenrotor mit von dort aur.f-ehanenden Schaufeln besitzt, {telöst, indem eine EinranfLkainmer vorgesehen ist, die mindestens teilweise durch 3en 'j-urbineurotor begrenzt wird. Kühlluft wird in diese BLnpanpel.ammer durch DT en "eingeführt, die eine Keduzierunp der statischen Temperatur des Aühimittels bewirken, das sodann von der Kammer zu Kanälen in· T.irbinenrotor umgewälzt wird, die in diese Kammer öffnen. Die Düsen eind vorzugsweise angewinkelt, so dcß die ir. diene Kammer eintretende Luft eine Vektorkomponente relitiv znu Roter iesitzt, die überwiegend in axialer Riuhtun. verl'uft, wodurch eich ine minimale hineinpe steckte Arbeitslti ntunr unc r in damit verbünden*r Wi eanstief für des Kühlmittel er, ibt, wenn es in die lanl'.l« eingeführt wird, die einen inneren Klthlmechuiismuu fir die 'larbinenlaufschaufeln aufweisen. tcur cn^ rs au^k-wirückt, -iio l.mfangeceech^inditrkeitekcmponente ·:."-ΐ· Lühlluit uud der ix ein^iinge sinu angeuäliert gleich.

In besonderer "tioe werden diese A.ύ aben tel'^t, :ndem eine derartige Kaemer vorgerehen ist, die ferne-rhi π curoh ein Fr.ar in eines ALstcnd voneinander angebrachter i-intiörmiger Di-sLtunt c: Iunente begrenzt wird, die ii:tegri,l mit de« Turbine^roor vcrbuiüer. sind und einer ringförmigen mi üchaufrln versehenen I/üse ^c enüberstehen. Die rotierenfe i-cw. er wird t.uf , inöm statischci. -^rucl·. gehalten, der geringer als der Druck der K'ihiuiv an ciiuem Auttrittspunkt an dem Kompressor ist und jiüSer als aer st£.tis:he «:· el. des Gasstromes, der in die erste rotierende LcL;.ufelreihe d<3r Xurb'ne gelangt, wobei irgendeine Lecua^-e au ε «er ^l hlkaairner cinei. geringen .. Einflues auf cie Kühlwirkunc hat, -.ie iür ".ie l'u-uii-e vor^sc-.ti-

iet. Gemäß vorliegender irfi:.dui:_t- ist tci tiner uasturbine, r'ie ' einen Rotor mit eich von ihr; aus erstreckenden Schauieln besitzt, ein· Lufteint,an£-skt.mmer vorgeseiien, afc rindestens einen -eil der

Rotorkühlkanal vorrichtungen, öffnungen i:: diese ---src:.-, er und iurch • die Schaufeln sich ex^sstre.-ken und iü^en :u:· Einfüixrunj- der i-.iihlluft " in diese ^a^rer urr-faest, wobei ii ~ Lüsen '.ie Kühlluft- beschleunigen und eine Verrinferun^ ihrer statische!, 'lenjeratur verursacei.,

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voc^urch die Temperatur der Kühlluft, die in die Kanäle strömt, auf ein Iiinimum gebracht wird.

Im folgenden v.ird eine Ausführunceform der Erfindung als ein ^eispiel beschrieben und mit hilfe der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine Ansicht in einer Umrissform mit v.eggebrochenen einer üasturbine mit vorliegender Erfindung!

Figur 2 eine perspektivische Ansicht dee Kühlmechanismus der Erfindung j

Figur 3 ein Längsschnitt des Kühlmechanismuej und Figur 4 ein Schnitt entlang der Linie IV-IV nach Figur 3·

Die in Figur 1 dargestellte Gasturbine 1o besitzt ei'nen Axialstromkompresor 12, der Luft komprimiert, um eine Verbrennung dee Irennstoffes in einer brennkammer 14 zu fördern· Der heiße Gasstrom, der in der Verbrennungskammer I4 erzeugt wird, strömt durch eine Vurbine 1ü und treibt diese an. Der heiße Gjβ etrom gelangt 8odanr. in einen "nchb enner oder in eine Kachverbrennungekammer 18, in die weiterer ^lji ennstoff gesondert zugeführt und verbrannt wird, bevor der Gasstrom durcli eine Mse 2o austritt, um eus der Maschine eine Schubkraft zu erzielen»

Die Turbine \i terüt^t einen zusammengesetzt gebildeten Rotor 24f der durch eine "tile 2c mit dem i;u£fiinmengesetzt gebildeten Rotor des Komprescors 12 verbundeji ist. Die Verbrennungskammer I4 ist von ringförmiger Art und besitzt Fülirun^sröhren 29, ^ie von einem Ouüeren Geh .utecle "ent Jo ur.d einem inneren ^ehäuseelement 32 entfernt angebracht r.ind, so deß ein Strömungspfac für die Kühlluft erreici-t i\ird und sekundäre Verbrennungsluft in die Führungeröhren 2p ointreten kann. Komprimierte Luft, öie aus -.en. :.ompx'fsror 12 austritt, ctrörr.it nicht nur in diere rinrförmigen Abstände uni in die Verbrennungskammer, sondern strömt euch durch Öffnungen, cie bei JJ t.nge-eitt sind, in eine iiemirer 34 f-vischen

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dem inneren ^ehäuseelement 32 und dem iUaschinenrotor, der die .»'eile und ©inen '!'eil des Kompressorrotors 24 umfait. Diese .Luft stellt für den Turbinenrotor ein Kühlmittel dar, in einer «ei3e, die im folgenden beeohrieben wird·

Im hinteren Jände der Kammer 34 iat eine ringförmige Düse 36 angebracht, die die Kühlluft in eine ringförmige rotierende Eingangskammer 38 umlenkt. Pia Kühlluft strömt dann von der Eingangskammer 38 durch Öffnungen 4°» die sich in eiUfer Turbinenrotorscheiba 42 befinden. Die Kühlluft strömt dann durch Kanäle 44» die sich in der Baus der Schäfte 46 befinden, welche dazu dienen, die Schaufeln 48 auf den Scheiben 42 zu befestigen. Die Schaufeln 48 f

sind mit Kühlkanälen versehen, durch die die Luft geleitet wird, um für die Sohaufeln den erwünschten Kühleffekt zu bewirken. Kühlluft kann auch von den Löchern 40 in eine zweite Turbinenstufe umgelenkt werden, die mit der ersten Scheibenstufe 42 durch ein Wellenelement 47 und eine Hitzeabschirmung 49 verbunden iat. Die Düse 36 wird von dem inneren Gehäuse 32 durch nach innen sich erstreckende ringförmige Verstrebungen 5° gehalten, an die ein äußerer Hand 52 der Düse 36 durch Bolzen 56 befestigt ist. Die Düse 36 ist zusammengesetzt gebildet und besitzt einen ring-und U-förmigen Rahmen 54, dessen innerer Sohenkel als äußere Ummantelung 57 wirkt. Die Düsenumlenkbleche 59 erstrecken sich von der äußeren Ummantelung 57 nach innen und verbinden mit ihr eine I

innere Ummantelung 60.

Wie oben hingewiesen wurde, wird Kühlluft von der Düse 36 in die rotierende Kammer 38 umgelenkt. Diese rotierende Kammer wird teilweise duroh eine konische v*elle 62 (die einen Teil des Turbinenrotors 24 bildet) und durch einen Flansch 64 begrenzt, der sich von der konischen ^eIIe 62 in einem Abstand radial nach außen erstreckt. Der Flansch 64, ebenso wie die weile 62, sind mit der Scheibe 42 duroh Bolzen 66 befestigt.

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Der i'lansca 64 ist mit einem kreisförmigen einteiligen Rand 68 versehen_t der zusammen mit dem wärmeschild 49 die Schäfte 46 axial auf der Scheibe 42 verriegelt. Auf der konischen Welle 62 befinden sich Labyrinthzähne 72« die mit Sichtungsflächen 64 auf einem ringförmigen Element 76 zusammenwirken, das an die innere Düsenummantelung 60 durch Bolzen 78 befestigt ist· Hierdurch entsteht zwischen der Kammer 34 und der Kammer 38 eine rotierende Strömungsmitteldichtung 79·

Von dem rotierenden Flanschelement 64 reichen Zähne Ho nach außen und wirken mit Dichtungsflächen 82 auf einem ringförmigen Element 84 zusammen, das als eine einteilige Erweiterung des Rahmens 54 ausgebildet ist. Die Zähne Co und die Flächen θ5 bilden zwischen der Kammer J8 und einer Kammer 66 eine rotierende Strömungsmitteldichtung 83· Die Kammer 66 wird durch die feststehenden Elemente 5° und 84 und die Vorderflächen der rotierenden Schäfte 46 begrenzt. Diese hammer wird auch teilweise durch die innere Ummantelung 88 der Düsenquerw&nd begrenzt, die den heißen Gasstrom den Schaufeln 48 des Turbinenrotors zuleitet« Die Kammer 66 wird wegen der Leckage zwischen der Ummantelung ΘΘ und den rotierenden Schaufeln 48 auf etwa dem statischen Druck des heißen Gasstromes, der zu den Turbinenschaufeln gerichtet ist, gebracht.

Die relativen Drucke der Kammern 34 und 58 werden so eingerichtet, daß eine gewünschte Kühlmittelströmung duroh die Düse 36 erzielt wird. Die Kammer 34 wird von &r Ausströmung des Axialstromkompressors unter Druck gesetzt und befindet sich nahezu auf diesem Druckpefcel. Die Kammer 38 befindet sich auf einem geringeren Druckpegel und die Kammer 86 auf einem noch tieferen Druck· «Vegen der Druckdifferenz an der Düse 36wird die Luft veranlasst, dort durchaus trömen. Wenn die Luft durch die Düse 36 strömt, wird sie in eine Richtung beschleunigt, die duroh den ^eschwindigkeitsvektor V dargestellt ist. Es wird auch eine entsprechende Reduzierung

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der statischen Temperatur erreicht, da ein Teil der thermischen foergie der Luft in kinetische Energie umgewandelt wird.

Ea wird nicht nur die statische Temperatur der Luft verringert} wenn sie in die Kammer J8 eintritt, sondern eie erhält aucn einen Geschwindigkeitevektor T (siehe Figur 4), der in Druckrichtung des Turbinenröhre liegt· Der Turbinenrotor besitzt einen Kreis geechwindigkeitsvektor V.· Die Kreiskomponente des Vektors Y ist

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geringfügig kleiner als der Turbinenvektor V₊, worau sich ein "Vektor T ergibt, der die relative Geschwindigkeit zwischen der Kühlluft und dem Turbinenrotor darstellt· Es ist ersichtlich, daß dtr relative Vektor V₄. überwiegend in eine Axialrichtung weist und ist daher fast mit den Öffnungen der Löcher 4° auegerichtet, die die Eingänge für die Kanäle zur Leitung der Kühlluft in und durch die Schaufeln 4L darstellen. Die Kühlluft wird am Ende -in den heißen Gasstrom aus den Schaufeln abgelassen. Die Richtung des relativen Vektors V bewirkt ein Minimum an relativer Bewegung •wischen Aer Kühlluft und den Eingingen der Öffnungen 4°· Hierdurch wiederur, «ird die in die Kühlluft hineingesteckte Arbeitsleistung durch den Turbinenrotor eliminiert und die sich ergebende Wärme steigt an, wen-.die Kühlluft in die Kanäle zur Kühlung der Schaufeln 46 eingeführt vird» Es entsteht eine etwas · radial nach außen erfolgende Abdrängung der Luft aus der Düse in die öffnungen 4°· £& ergibt sich auch eine geringfügige f

relative tangential« bewegung, da der relative Vektor V nicht genau mit dem Zμgang Ar Öffnungen /c ausgerichtet ist. Diese Verluste, die mit diesen geringen relativen Bewegungen verbunden sind, dind unbedeutend verglichen rit dem, ras in der bisherigen Praxis bei der Linführung eines Kühlluftstromes au: einer Kammer in ^naleingänge auf einem Turbinenrotor mit großen Umfangsgeschwindigkeiten akzeptiert wurde.

Die durch feste Linien in der Figur angezeigten Vektoren veranschaulichen die Betriebsbedingungen einer neuen oder umgebauten kaschine und beruhen darauf, daß der Druck in der Kemir.er Jo kleine Funktion der begrenzenden wirkung und der kombinierten -6-

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Wirkung der Öffnungen der verschiedenen Kühlmittelkanäle in und durch die Turbinenschaufeln 48 gesteuert wird. Beim tatsächlichen Betrieb der Maschine kann erwartet werden, daß die LuftSichtungen 79 und 83 ihre Wirksamkeit verlieren werden und daß es dort einige Leckage geben wird. Die Druckdifferenz über die Dichtung ist relativ gering und der Steuerfaktor ist die Leckage über dl· Dichtung 85* Wenn eine derartige Leckage vorliegt, ergibt sich eine Verringerung des Druckes in der Kammer 38 und demzufolge eine größere Druckdifferenz an der Düse 36. Wenn dies vorliegt, wird die Kühlluft, die aus der Düse 36 in die Kammer 38 gelangt, ihren Aert und V.inkeländern, v.ie durch den Vektor ν in Figur 4 gezeigt ist. Die Kreiskomponente des Vektors V erreicht oder

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übertrifft den Wert des Rotorvektors V , wodurch eine Verschiebung

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des relativen Vektors erreicht wird, wie durch den Vektor V gezeigt ist. h-an hat ermittelt, daß sogar bei einer Zunahm· Tier Leckage an der Dichtung 85 der relative Vektor V im wesentlichen erhalten bleibt oder überwiegend in eine axiale Richtung weist und die Vorteile der Verringerung der finergi«verlust· in vorteilhafter Weise über die Lebenszeit der Maschine aufrechterhalten bleibt·

Mit der beschriebenen Erfindung wird die tatsächliche Temperatur .der Kühlluft, die der Turbine durch zwei Mechanismen zugeführt wird, verringert. Erstens ergibt sich eine statische Temperatureenkunf, die in der Kühlluft unmittelbar erzeugt wird, wenn dies· durch die I»ü::e 36 strömt und durch sie beschleunigt wird. Das heißt, deß relativ zuir. Rotor die ^resam e Temperatur reduziert wird, da die Luft in die gleiche liauptrichtung wie der Rotor bewegt wird· Diese reduzierte Temperatur wird wirksam durch· fcliminierung oder durch eine angenäherte iliminierune der in die Luft hineingesteckten Arbeitsleistung erreicht, indem diese in die mit hoher Geschwindigkeit rotierende Scheibe 42 durch die Öffnungen 40, wie oben im einzelnen beschrieben wurde, geleitet wird«

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Es darf auch bemerkt werden, daß durch Verwendung rotierender Elemente (64 und 62) abströmseitig zur Düse 36 zur Begrenzung der Lufteingangakammer mit der Kühlluft minimale Verluste verbunden sind_} wenn sie einmal in eine fast tangentiale Richtung beschleunigt ist, um die gewünschte relative Vektorbeziehung zur sich drehenenden Scheibe zu erzielen. Weiter darf in dieser Beziehung erwähnt werden, daß die äußere Ummantelung 57 der Düse 56 mit einer Überlaufkante 59 versehen ist, um ein Einschließen der Luft in den Taschen hinter dieser ummantelung zu verringern.

Während sich die Beschreibung auf die Verwendung von Luft als

Kühlmedium bezieht, so ist offensichtlich," daß auch andere ä

Strömungsmittel ein volles Äquivalent der Luft darstellen, insoweit jedenfalls wie mindestens erfinderische iierkmale betroffen sind*

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Claims

Patentansprüche

Gasturbine mit einem Rotor, von dem aua sich Schaufeln erstrecken, gekennzeichnet durch eine Lufteintrittekammer die'mindestens einen Teil des Hotors (24), Kühlkanäle (40,44)1 Offnungen, die in die Kammer (33) führen und sich durch dit Schaufeln (48) erstrecken und Düsen (36) zur Einführung von Kühlluft in die Kanäle (38) umfasst, wobei die Düsen (36) die Kühlluft beschleunigen eine Verringerung ihrer atatischen Temperatur bewirken und die Temperatur der durch die Kanal· strömenden Luft auf ein Minimum gebracht wird.
2. Gasturbinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet} daß die Düsen (36) winkelig hauptsächlich in Richtung der Turbinenrotordrehung angeordnet sind, wodurch die relative VektorgeschwindigkeitsbeZiehung zwischen der in die Kammer eintretenden Luft und dem Rotor auf ein Minimum gebracht wird, wodurch Energieverluste verringert werden, wenn die Kühlluft in die Kanalöffnungen in die Kammer gelangt.
3· Gasturbine nach Anspruch 2, die einen Kompressor, eine Verbrennungskammer und eine Turbine umfasst, gekennzeichnet durch eine Kammer (34) ^zur Leitung von Luft aus dem Kompressor in die Düsen (36), um für den Turbinenrotor Kühlluft vorzusehen und durch Düsen, die ein Paar ringförmige Ummantelungen (57)»6°) besitzen, welche Umlenkflächen (58) aufweisen, die sioh dazwischen befinden, wobei die Düse (36) so angeordnet ist, daß sie Kühlluft in die Eingangskammer (38) einleiten kann, wodurch EnergieVerluste minimal gehalten werden, wenn die Kühlluft in die Lufteingangskammer (38) beschleunigt wird·
4. Gasturbine nach Abspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungsmitteldichtungen (71»74) und (8o,82) zwischen den Düsen und dem Rotor vorgesehen sind, um die Eingangskammer auf einen Druck zu halten, der wesentlich unter der der Kühlluft liegt, die aus dem Kompressor geleitet wird·

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&aoh Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die iMlMsJMUtttelungen (57) und (60) hauptsächlich konzentrisch tor Kotoraohse verlaufen, daß die Umlenkflächen (58) radial ftatu angeordnet sind und die Offnungen (40) der Kühlkanäle (44) in di# Lufteiftgangskaaaer (58) hauptsächlich axial gerichtet sind.

Ofciturfcine naoh Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet! daß Unterteilungen (59) eich τοη der äußeren Düsenummantelung aus erstrecken und die Luft, die τοη dem Kompressor geleitet wird, Von de*, heißen Gasstrom an einer Stelle neben dem Eingang dt« heißen Gasstromes in die Turbinenrotorschaufeln trennen, dad ftr Turbinenrotor (62) konisch verläuft, daß die Kühlkanal-Öffnungen (40) sich an der Basis (46) der Turbinenschaufeln befinden» daß sich «in konischer Flansch (54) von diesen Öffnungen aus sur benachbarten äußeren Düeenummantelung (57) erstreokt und Kit des Turbinenrotor (62) die rotierende Einganggksjuner (38) zur Leitung der Kühlluft aus der Düse (36) in die Offnungen (40) der Kühlkanäle (44) begrenzt.

Sfeiti* n*ch Isepruch 6, dadurch gekexinzeichnet, daß die

(72,74) und (θο, 82) zwischen der

Uaa&ntelong und des Rotorflansch die Lufteingangekammer Ton Bid heißen Uaiiiroe, der in den Turbinenrotor gelangt, »,bdieixtet und AaJ das Dxuokverhältnis der LufteintrittskaBmer ieia #»iri*b 4er Masohine eine relative Vektorbeziehung zwischen AeT ias der Düse ausströmenden Luft und des 'l'urbinenrotor A>evifkt( dif der dichtung der Rotordrehung etwas entgegen geriohtet ist« wobei eine Herabsetzung der Wirksamkeit der

5 Dichtung, die die Lufteintrittskemmer von dem heißet: Gasstrom irenat» eine minimale Wirlning auf die relative ^ueschTrindigkeitsvektorbeziehung swisohen der Kühlluft, die in die Kammer gelangt und der Turbinenrotation aufweist, roaurch unter allen Betriebsbedingungen Ehergieverluste auf ein Minimum gehalten werdeEj nenn die Kühlluft in die Kühlkanalöffnungen gelangt.

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