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EP0838595A2 - Schaufelträger für einen Verdichter - Google Patents

Schaufelträger für einen Verdichter Download PDF

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Publication number
EP0838595A2
EP0838595A2 EP97810716A EP97810716A EP0838595A2 EP 0838595 A2 EP0838595 A2 EP 0838595A2 EP 97810716 A EP97810716 A EP 97810716A EP 97810716 A EP97810716 A EP 97810716A EP 0838595 A2 EP0838595 A2 EP 0838595A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade carrier
cooling
cooling channels
carrier according
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP97810716A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0838595B1 (de
EP0838595A3 (de
Inventor
Pierre Meylan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Publication of EP0838595A2 publication Critical patent/EP0838595A2/de
Publication of EP0838595A3 publication Critical patent/EP0838595A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0838595B1 publication Critical patent/EP0838595B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps

Definitions

  • the invention relates to a blade carrier for an axially flowed through compressor, preferably a thermally highly stressed High pressure compressor, the blade carrier with Cooling channels is provided, which in a closed circuit of are flowed through a coolant.
  • Cooled or heated blade carriers for turbomachinery are well known.
  • the start-up problems of a steam turbine to solve it is already from BE-A 649 186 known, between the blade carrier and an outer insulation a system consisting of pipes, channels, lines and the like circular or spiral around the blade carrier to arrange around this by supplying external heat to keep at a set temperature at all times.
  • the reduction in radial play is made more difficult that are in different operating states of the compressor Rotor blades and compressor housing in different Expand or contract mass.
  • the radial play must therefore be chosen so that it is under the most unfavorable operating conditions, i.e. with extensive Rotor and blades and compressed compressor housing, is still sufficient. It must be taken into account that the change in radial play is both mechanical can also have thermal causes.
  • As a mechanical The main cause is the radial deflection of the Rotors and the blades through the at fast rotation attacking centrifugal forces in question.
  • thermal causes are different thermal expansions in the rotor and stator due to temperature differences or different Expansion coefficient of the materials used view as well as the ovalization of the housing parts through the parting line in the parting line.
  • the rotor can also be cooled in modern gas turbines be and are made of ferritic material. Then he is in usually provided with thermal insulation that ensures that the rotor temperature remains lower than the temperature of the combustion air in the respective section at the compressor outlet. In this case, the radial ones Operating games larger than the games when cold System because the rotor temperature is lower than the blade carrier temperature.
  • this is the case of a blade carrier achieved at the outset in that the cooling channels at least approximately in the circumferential direction within the blade carrier get lost, and yourself in a closed Water cycle are located, which essentially consists of a Circulation pump, a pressure vessel and a heat exchanger consists.
  • Water is a suitable coolant; Possibly could also be considered a cooling gas or high pressure steam Coolants should be considered.
  • cooling channels are annular or are arranged helically and if each cooling ring with a supply line and a discharge line is provided, so that at least two separate cooling paths can be provided. It then lends itself to that in the longitudinal direction of the blade carrier at least every second successive cooling ring or at least every second consecutive loop of the helical arrangement on a separate cooling path connected.
  • cooling ducts with their supply and discharge lines are connected Form skeleton, so this can be in the mold of the blade carrier and introduced together with the blade carrier be shed.
  • cooling channels in a blade carrier pour in.
  • this is cooling of gas turbine blades, for which purpose in the axial direction of the machine running and communicating with the guide vane feet Tubes are arranged in the blade carrier.
  • a single-shaft gas turbine is shown schematically in FIG. which in the example with reheating is equipped.
  • the rotor 10 is the rotor 10 and Blade carrier 11 with a single-stage high-pressure blading 12 or one (not shown) multi-stage Low pressure blading equipped. That of the primary combustion chamber 13 escaping flue gas relaxes under power in the high-pressure blading and gets into one Mixing section 25. There is the flue gas via a fuel supply additional fuel and possibly combustion air admixed and the mixture of a second combustion chamber fed.
  • the primary combustion chamber 13 draws the combustion air from the Plenum 14 and is via the fuel line 15 with liquid and / or gaseous fuel.
  • the combustion air enters the plenum 14 from the diffuser 16 of the compressor 17. Its multi-stage high-pressure blading 18 or low-pressure blading 19 becomes on the one hand formed by moving blades, which in turns of the rotor 10 are shoveled. On the other hand, they are associated guide vanes in twists of two parts trained low pressure blade carrier 20 and high pressure blade carrier 21 attached. Between high-pressure blading 18 and low pressure blading 19 is a cooling air extraction 22 arranged. To represent the prevailing problem it is believed that the combustion air due to compression in the low-pressure blading at their outlet already has a temperature of approx. 450 ° C. From Fig.
  • a heat shield 23 in a suitable manner appropriate.
  • a thermal insulation 24 in the form of a cover plate delimited.
  • the blade carrier is also over its entire length is provided with cooling channels 26 which in closed loop of a coolant, here water, are flowed through. These cooling channels run in the circumferential direction inside the blade carrier and are in direct current flows through to the compressor flow.
  • FIG. 2 An example of a suitable cooling channel arrangement shows Fig. 2.
  • the channels are annular and exist from a plurality of side by side at a suitable distance, arranged cooling rings 27, each with a feed line 28 and a derivative 29.
  • the cooling rings 27 are fed via a water supply line 30 by means of a circulation pump 31.
  • the cooling water is drawn from a pressure holding vessel 32, which in turn by means of a pressure pump 33 with water is supplied. Above the water level in the pressure vessel there is a gas atmosphere. From the last The water is cooled by a water return line 34 removed and recooled in a heat exchanger 35, before it gets into the pressure vessel 32.
  • two separate cooling paths are provided, which is fed from the common water supply line 30 and when leaving the cooling channels in the common Water return line 34 open.
  • panels are to be supplied with water evenly 36 upstream of the cooling rings 27 applied first arranged.
  • the cooling paths are designed such that every second Cooling ring from the arrangement lies in the same path.
  • the first ring 27a draws water from the left supply line 28a.
  • the water flows through the ring in the Counterclockwise and is derived from the lead 29a Ring removed.
  • This derivative 29a communicates via a Connection line 37 with the supply line of the next Cooling ring.
  • the second ring 27b Water from the right supply line 28b.
  • the water flows through the ring here clockwise and is about the derivative 29b removed from the ring.
  • This derivative 29b communicates why about a connecting line 37 with the supply line of the cooling ring after next. In the longitudinal direction of the blade carrier neighboring cooling ducts become in opposite directions flows through.
  • this solution has the advantage that all cooling rings 27 with their inlets and outlets 28 resp. 29 and the connecting lines 37 compiled into a skeleton construction can be, for example, by welding. This Skeleton construction can subsequently be made using the shovel carrier be shed together.
  • Ductile iron is ideal, for example GGG40Mo or Cast iron.
  • the cooling rings are preferably made of steel pipes with a higher melting point than that of the blade carrier material. Due to the higher coefficient of thermal expansion of stainless steel is in operation Always an intimate contact and therefore a good heat exchange guaranteed between the blade carrier and cooling tubes.
  • the cooling pipes according to the figures 3 to 6 with their Aussenumfamg welded-on ribs 40, webs 41 or pins 42 be.
  • the ribs can be circular (Fig. 3) or be arranged helically (Fig. 4).
  • Longitudinal Crosspieces 41 can be attached to the pipe circumference in several places be (Fig. 5), just like pins 42 (Fig. 6).
  • a numerical example illustrates the mode of operation of the invention: with a wall thickness of approximately 50 to 70 mm of the blade carrier to be cooled, steel tubes with an outer diameter of 20 mm are selected.
  • the thermal insulation of the blade carrier is dimensioned such that the temperature difference between the outside and the inside of the blade carrier should not be greater than 30-70 ° C.
  • the heat transfer due to convection between the combustion air and the blade carrier should be limited to 50-150 W / m 2 K. In the case of a shovel carrier of a modern system, this means that a heat quantity of approx. 500 kW has to be dissipated via the closed water cooling circuit. If a temperature difference of 20 ° C between water inlet and water outlet is permitted, this requires a water volume of 6 kg / sec. It is advisable to work with a water pressure of 40 to 80 bar and a water temperature of maximum 120 ° C.
  • Another cooling channel arrangement can consist in that the cooling channels are arranged helically and that there are at least two separate cooling paths are provided. This solution corresponds to a two-course one Thread. Even then, every second would be consecutive Loop of the helical arrangement by means of own supply and discharge lines to a separate cooling path be connected.
  • FIG. 7 Another cooling channel arrangement shown in FIG. 7 can consist in that the cooling channels 26a by milling or Turning incorporated into the outer wall of the blade carrier are and closed with a welded cover band 38 will.
  • a circular or helical channel arrangement are used.
  • the Inlets and outlets of the individual channels and the connecting lines would in this case be outside the actual blade carrier are located.
  • As material for the The blade carrier then offers a low-alloy steel on. At 39, they are on the inner wall of the blade carrier attached screw holes for the compressor guide vanes designated.
  • the invention is of course not limited to the embodiment shown and described.
  • the cooling channels could also flow through in counterflow to the compressor flow.
  • flowing through all cooling channels in the same direction either clockwise or counterclockwise does not go outside the scope of the invention.
  • several cooling paths can of course also be provided instead of the two paths described. The right choice will be, among other things, a question of the permissible pressure loss within the cooling system.
  • the new cooling method is not only applicable to stationary gas turbines, but also, for example, to lightweight aircraft turbines. In this case, an aluminum or magnesium alloy is used as the material for the blade carrier to be cooled.

Landscapes

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  • Thermal Sciences (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Ein Schaufelträger für einen axial durchströmten Verdichter ist mit Kühlkanälen versehen, welche in geschlossenem Kreis von einem Kühlmittel durchströmt sind. Die Kühlkanäle verlaufen zumindest annähernd in Umfangsrichtung innerhalb des Schaufelträgers, und befinden sich in einem geschlossenen Wasserkreislauf, welcher im wesentlichen aus einer Umwälzpumpe (31), einem Druckhaltegefäss (32) und einem Wärmeaustauscher (35) besteht. Die Kühlkanäle sind ringförmig angeordnet, wobei jeder Kühlring (27) mit einer Zuleitung (28) und einer Ableitung (29) versehen ist. In Längsrichtung des Schaufelträgers ist mindestens jeder zweite aufeinanderfolgende Kühlring an einen separaten Kühlpfad angeschlossen. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Schaufelträger für einen axial durchströmten Verdichter, vorzugsweise einen thermisch hochbelasteten Hochdruckverdichter, wobei der Schaufelträger mit Kühlkanälen versehen ist, welche in geschlossenem Kreis von einem Kühlmittel durchströmt sind.
Stand der Technik
Gekühlte oder beheizte Schaufelträger für Turbomaschinen sind hinlänglich bekannt. Um die Anfahrprobleme einer Dampfturbine zu lösen, ist es bereits aus der BE-A 649 186 bekannt, zwischen dem Schaufelträger und einer Aussenisolation ein System bestehend aus Rohren, Kanälen, Leitungen und dergleichen zirkular oder spiralig um den Schaufelträger herum anzuordnen, um diesen mittels Zufuhr von Fremdwärme jederzeit auf einer Solltemperatur zu halten.
Bei axialen Verdichtern, insbesondere auch Hochdruckver dichtern, wie sie beispielsweise in stationären Gasturbinen oder Turbinen-Triebwerken zur Kompression der Verbrennungsluft verwendet werden, ist zwischen den äusseren Enden der Laufschaufeln und der Innenwand des Verdichtergehäuses ein radiales Spiel in der Grössenordnung von 1 mm vorgesehen, das möglichst klein gehalten werden soll, um den Rückstrom der Luft und die damit einhergehende Verringerung des Wirkungsgrades gering zu halten. Entsprechendes gilt für die Leitschaufelspitzen, die gegen den Rotor dichten.
Die Verringerung des radialen Spiels wird dadurch erschwert, dass sich in unterschiedlichen Betriebszuständen des Verdichters Rotorschaufeln und Verdichtergehäuse in unterschiedlichem Masse ausdehnen bzw. Zusammenziehen. Das radiale Spiel muss daher so gewählt werden, dass es unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen, d.h., bei ausgedehntem Rotor und Laufschaufeln und zusammengezogenem Verdichtergehäuse, noch ausreichend ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Veränderung des radialen Spiels sowohl mechanische als auch thermische Ursachen haben kann. Als mechanische Ursache kommt vor allem die radiale Auslenkung des Rotors und der Laufschaufeln durch die bei schneller Rotation angreifenden Fliehkräfte in Frage. Als thermische Ursachen sind unterschiedliche thermische Ausdehnungen in Rotor und Stator aufgrund von Temperaturdifferenzen oder unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien anzusehen sowie die Ovalisation der Gehäuseteile durch die Teilfuge in der Trennebene.
In der Vergangenheit ist eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden, die sich mit der aktiven Ausregelung des radialen Spiels (sog "active clearance control") während des Betriebs befassen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise wahlweise kältere und/oder wärmere Druckluft, die aus unterschiedlichen Kompressionsstufen stammt, ins Innere des Rotors geleitet werden, um durch eine Steuerung der-Temperatur der die Laufschaufeln tragenden Scheiben das radiale Spiel zu steuern.
Neben der oben erwähnten Temperatursteuerung des Rotors ist auch bereits eine Temperatursteuerung des Verdichtergehäuses vorgeschlagen worden (US-A-4,230,436), bei der die Temperatur des Verdichtergehäuses durch einen mehr oder weniger starken Kühlluftstrom kontrolliert abgesenkt wird. Die Kühlluft wird dabei an unterschiedlichen Verdichterstufen entnommen und in Kühlkanälen sowohl hinter den Leitschaufeln als auch hinter der den Laufschaufeln gegenüberliegenden Innenwand des Verdichtergehäuses entlanggeführt.
Die bekannten Verfahren zur aktiven Spielregelung beziehen sich auf den normalen Betrieb des Verdichters. Sie können daher auch zur Kühlung bzw. Heizung verschiedener Verdichterteile oder -partien auf Verdichterluft unterschiedlicher Temperatur oder - im Falle des Verdichters einer Gasturbine - Heissgas aus dem Triebwerksteil zurückgreifen.
Nicht berücksichtigt ist dabei der Fall des sog. "Warmstarts", bei welchem der Verdichter nach einem vorangegangenen Abschalten, aber noch vor einer vollständigen Abkühlung, wieder anläuft: In diesem Fall befinden sich Rotor und Stator auf deutlich unterschiedlichen Temperaturen, da sich der aussenliegende Stator schneller abkühlt und entsprechend zusammenzieht, während der Rotor länger heiss bleibt und entsprechend seine Ausdehnung beibehält. Hierdurch verringert sich das radiale Spiel erheblich. Damit in diesem Zustand ein erneutes Starten möglich wird (Warmstart), muss bei der Auslegung des radialen Spiels dieser Sonderfall berücksichtigt werden, was zu erhöhten Werten des radialen Spiels führt.
Darstellung der Erfindung
Bei modernen Gasturbinen kann der Rotor ebenfalls gekühlt sein und aus ferritischem Material bestehen. Er ist dann in der Regel mit einer thermischen Isolation versehen, die dafür sorgt, dass die Rotortemperatur niedriger bleibt als die Temperatur der Verbrennungsluft im jeweiligen Abschnitt am Verdichteraustritt. In diesem Fall sind die radialen Betriebsspiele grösser als die Spiele im Kaltzustand der Anlage, da die Rotortemperatur niedriger ist als die Schaufelträgertemperatur.
Dem soll Abhilfe geschaffen werden. Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist es, den Schaufelträger auf ca. 70 bis 120°C herunterzukühlen und ihn damit während allen Betriebsbedingungen nur einer vernachlässigbaren thermischen Bewegung zu unterwerfen. Dadurch wären nur mehr die mechanischen und thermischen Bewegungen des Rotors zu berücksichtigen und es sind minimale Radialspiele bei allen Betriebsbedingungen erzielbar. Insbesondere der Warmstart bildet kein Kriterium mehr für die richtige Wahl des Radialspiels.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Schaufelträger der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Kühlkanäle zumindest annähernd in Umfangsrichtung innerhalb des Schaufelträgers verlaufen, und sich in einem geschlossenen Wasserkreislauf befinden, welcher im wesentlichen aus einer Umwälzpumpe, einem Druckhaltegefäss und einem Wärmeaustauscher besteht. Als Kühlmittel bietet sich Wasser an; Gegebenenfalls könnte auch ein Kühlgas oder Hochdruckdampf als Kühlmittel in Betracht gezogen werden.
Der Vorteil der Erfindung ist unter anderm darin zu sehen, dass für einen derartig heruntergekühlten Schaufelträger ein kostengünstiges und gut verarbeitbares Material wie Sphäroguss oder Grauguss verwendet werden kann, im Gegensatz zu den heute üblichen teuren Werkstoffen wie beispielsweise 10-prozentiger Chromstahl. Darüberhinaus findet infolge der niedrigen Schaufelträgertemperatur keine Ovalisierung statt und die Möglichkeit einer nahezu vollständig leckagefreien Struktur ist gegeben.
Es ist zweckmässig, wenn die Kühlkanäle ringförmig oder schraubenförmig angeordnet sind und wenn jeder Kühlring mit einer Zuleitung und einer Ableitung versehen ist, so dass mindestens zwei separate Kühlpfade vorgesehen werden können. Es bietet sich dann an, dass in Längsrichtung des Schaufelträgers mindestens jeder zweite aufeinanderfolgende Kühlring oder mindestens jede zweite aufeinanderfolgende Schlaufe der schraubenförmigen Anordnung an einen separaten Kühlpfad angeschlossen ist.
Wenn die Kühlkanäle mit ihren Zu-und Ableitungen ein zusammenhängendes Skelett bilden, so kann dieses in die Gussform des Schaufelträgers eingebracht und zusammen mit dem Schaufelträger vergossen werden. Zwar ist es bereits aus der US-A-4,386,885 bekannt, Kühlkanäle in einen Schaufelträger einzugiessen. Jedoch handelt es sich dabei um die Kühlung von Gasturbinenschaufeln, wozu in Axialrichtung der Maschine verlaufende und mit den Leitschaufelfüssen kommunizierende Rohre im Schaufelträger angeordnet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer stationären Gasturbine dargestellt. Es zeigen:
Fig.1
einen Teillängschnitt durch den Verdichter der Gasturbine;
Fig.2
ein Prinzipschema einer Kühlkanalanordnung;
Fig.3 bis 6
Ausführungsbeispiele von Kühlrohren;
Fig.7
eine Variante einer Kühlkanalanordnung.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeit§mittel ist mit Pfeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind jeweils funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In Fig 1 ist schematisch eine einwellige Gasturbine dargestellt, welche im Beispielsfall mit einer Zwischenerhitzung ausgrüstet ist. Turbinenseitig ist der Rotor 10 und der Schaufelträger 11 mit einer einstufigen Hochdruckbeschaufelung 12 respektiv einer (nichtdargestellten) mehrstufigen Niederdruckbeschaufelung bestückt. Das der Primärbrennkammer 13 entströmende Rauchgas entspannt sich unter Leistungsabgabe in der Hochdruckbeschaufelung und gelangt in eine Mischstrecke 25. Dort wird dem Rauchgas über eine Brennstoffzufuhr weiterer Brennstoff und gegebenenfalls Verbrennungsluft beigemischt und die Mischung einer zweiten Brennkammer zugeführt.
Die Primärbrennkammer 13 bezieht die Verbrenungsluft aus dem Plenum 14 und wird über die Brennstoffleitung 15 mit flüssigem und/oder gasförmigem Brenstoff versorgt.
In das Plenum 14 gelangt die Verbrennungsluft aus dem Diffusor 16 des Verdichters 17. Dessen mehrstufige Hochdruckbeschaufelung 18 respektiv Niederdruckbeschaufelung 19 wird einerseits von Laufschaufeln gebildet, die in Eindrehungen des Rotors 10 eingeschaufelt sind. Andererseits sind die zugehörigen Leitschaufeln in Eindrehungen der zweiteilig ausgebildeten Niederdruckschaufelträger 20 und Hochdruckschaufelträger 21 befestigt. Zwischen Hochdruckbeschaufelung 18 und Niederdruckbeschaufelung 19 ist eine Kühlluftentnahme 22 angeordnet. Zur Darstellung des vorherrschenden Problems wird angenommen, dass die Verbrennungsluft infolge der Verdichtung in der Niederdruckbeschaufelung an deren Austritt bereits eine Temperatur von ca. 450°C aufweist. Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass die Innenseite des schrägverlaufenden Teils des Hochdruckschaufelträgers 21 dieser Temperatur ausgesetzt ist. In der Hochdruckbeschaufelung 18 wird die Verbrennungsluft auf ihren Enddruck verdichtet und erreicht hierbei eine Temperatur von ca. 550°C auf, mit welcher sie über den Diffusor 16 in das Plenum 14 ausgestossen wird. Die gesamte Aussenseite des Hochdruckschaufelträgers 21 sowie ihre den Diffusor begrenzende Innenwandung ist dieser Austrittstemperatur ausgesetzt.
Um für den thermisch hochbelasteten Schaufelträger ein kostengünstiges Material verwenden zu können, ist an der Diffusorwandung ein Hitzeschutzschild 23 auf geeignete Art angebracht. Gegen das Plenum 14 ist die Aussenseite des Schaufelträgers 18 in ihrer ganzen axialen Erstreckung über eine thermische Isolation 24 in Form eines Abdeckbleches abgegrenzt. Ebenfalls über seine ganze Länge ist der Schaufelträger mit mit Kühlkanälen 26 versehen ist, welche in geschlossenem Kreis von einem Kühlmittel, hier Wasser, durchströmt sind. Diese Kühlkanäle verlaufen in Umfangsrichtung innerhalb des Schaufelträgers und sind im Gleichstrom zur Verdichterströmung durchströmt.
Ein Beispiel für eine zweckmässige Kühlkanal-Anordnung zeigt Fig. 2. Die Kanäle sind ringförmig ausgebildet und bestehen aus einer Mehrzahl von in geeignetem Abstand nebeneinander, angeordneten Kühlringen 27 mit je einer Zuleitung 28 und einer Ableitung 29. Angespeist werden die Kühlringe 27 über eine Wasserzufuhrleitung 30 mittels einer Umwälzpumpe 31. Bezogen wird das Kühlwasser aus einem Druckhaltegefäss 32, welches seinerseits mittels einer Druckpumpe 33 mit Wasser versorgt wird. Über dem Wasserniveau im Druckhaltegefäss befindet sich eine Gasatmosphäre. Aus den jeweils letzten Kühlringen wird das Wasser über eine Wasserrückführleitung 34 abgeführt und in einem Wärmeaustauscher 35 rückgekühlt, bevor es in das Druckhaltegefäss 32 gelangt.
Im Beispielsfall sind zwei getrennte Kühlpfade vorgesehen, die aus der gemeinsamen Wasserzufuhrleitung 30 angespeist werden und beim Austritt aus den Kühlkanälen in die gemeinsame Wasserrückführleitung 34 münden. Um die beiden Pfade gleichmässig mit Wasser zu versorgen, sind jeweils Blenden 36 stromaufwärts der zuerst beaufschlagten Kühlringe 27 angeordnet.
Die Kühlpfade sind derart ausgebildet, dass jeder zweite Kühlring aus der Anordnung im gleichen Pfad liegt. Wie aus Fig. 2 erkennbar, bezieht der erste Ring 27a Wasser aus der linken Zuleitung 28a. Das Wasser durchströmt den Ring im Gegenuhrzeigersinn und wird über die Ableitung 29a aus dem Ring abgeführt. Diese Ableitung 29a kommuniziert über eine Verbindungsleitung 37 mit der Zuleitung des übernächsten Kühlringes. Dementsprechend bezieht der zweite Ring 27b Wasser aus der rechten Zuleitung 28b. Das Wasser durchströmt den Ring hier im Uhrzeigersinn und wird über die Ableitung 29b aus dem Ring abgeführt. Diese Ableitung 29b kommuniziert wieserum über eine Verbindungsleitung 37 mit der Zuleitung des übernächsten Kühlringes. In Längsrichtung des Schaufelträgers werden demnach benachbarte Kühlkanäle gegensinnig durchströmt.
Es versteht sich, dass eine derartige Ringanordnung selbstverständlich nicht rein zylindrish sein muss, wie in Fig. 2 dargestellt ist, sondern dass gemäss der Darstellung in Fig. 1 die Kühlkanäle auch radial übereinander oder in der Schrägen verlaufen können. Den erforderlichen Abstand zwischen zwei benachbarten Ringen wird der Fachmann aufgrund der jeweils lokal abzuführenden Wärme wählen.
Unabhängig von der tatsächlichen Geometrie der Kühlanordnung bildet diese Lösung den Vorteil, dass sämtliche Kühlringe 27 mit ihren Zu- und Ableitungen 28 resp. 29 und den Verbindungsleitungen 37 zu einer Skelettkonstruktion zusammengestellt werden können, beispielsweise durch Schweissen. Diese Skelettkonstruktion kann in der Folge mit dem Schaufelträger zusammen vergossen werden. Als Material für den Schaufelträger bietet sich Sphäroguss an, beispielsweise GGG40Mo oder Grauguss. Die Kühlringe bestehen vorzugsweise aus Stahlrohren mit einem höheren Schmelzpunkt als jener des Schaufelträgermaterials. Bedingt durch den höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten von rostfreiem Stahl ist während des Betriebes stets ein inniger Kontakt und damit ein guter Wärmeaustausch zwischen Schaufelträger und Kühlrohren gewährleistet.
Um diesen Wärmeaustausch noch zu fördern, können die Kühlrohre gemäss den Figuren 3 bis 6 an ihrem Aussenumfamg mit angeschweissten Rippen 40, Stegen 41 oder Stiften 42 versehen sein. Die Rippen können dabei kreisförmig (Fig. 3) oder schraubenförmig (Fig. 4) angeordnet sein. Längsgerichtete Stege 41 können an mehreren Stellen am Rohrumfang angebracht sein (Fig. 5), genau so wie Stifte 42 (Fig. 6).
Ein Zahlenbeispiel verdeutlicht die Wirkungsweise der Erfindung: Bei einer Wandstärke von ca. 50 bis 70 mm des zu kühlenden Schaufelträgers werden Stahlrohre von 20 mm Aussendurchmesser gewählt. Die thermische Isolierung des Schaufelträger wird so dimensioniert, dass zwischen Aussenseite und Innenseite des Schaufelträgers die Temperaturdifferenz nicht grösser als 30-70°C betragen soll. Der durch Konvektion zwischen Verbrennungsluft und Schaufelträger auftretende Wärmetransfer soll auf 50-150 W/m2K begrenzt werden. Bei einem Schaufelträger einer modernen Anlage hat dies zur Folge, dass eine Wärmemenge von ca. 500 kW über den geschlossenen Wasserkühlkreis abzuführen ist. Wird eine Temperturdifferenz von 20°C zwischen Wassereintritt und Wasseraustritt zugelassen, so erfordert dies eine Wassermenge von 6 Kg/sec. Es empfiehlt sich, hierzu mit einem Wasserdruck von 40 bis 80 bar und einer Wassertemperatur von maximal 120°C zu arbeiten.
Eine andere nicht dargestellte Kühlkanal-Anordnung kann darin bestehen, dass die Kühlkanäle schraubenförmig angeordnet sind und dass auch hier mindestens zwei separate Kühlpfade vorgesehen sind. Diese Lösung entspricht einem zweigängigen Gewinde. Auch dann würde jede zweite aufeinanderfolgende Schlaufe der schraubenförmigen Anordnung mittels eigenen Zu- und Ableitungen an einen separaten Kühlpfad angeschlossen sein.
Eine weitere in Fig. 7 dargestellte Kühlkanal-Anordnung kann darin bestehen, dass die Kühlkanäle 26a durch Fräsen oder Drehen in die Aussenwand des Schaufelträgers eingearbeitet werden und mit einem aufgeschweissten Deckband 38 verschlossen werden. Auch bei dieser Lösung kann eine zirkulare oder schraubenförmige Kanalanordnung zur Anwendung gelangen. Die Zu- und Ableitungen der einzelnen Kanäle und die Verbindungsleitungen würden sich in diesem Fall ausserhalb des eigentlichen Schaufelträgers befinden. Als Material für den Schaufelträger bietet sich dann ein niedriglegierter Stahl an. Mit 39 sind die an der Innenwand des Schaufelträgers angebrachten Eindrehungen für die Verdichterleitschaufeln bezeichnet.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigte und beschriebene Ausführung beschränkt. In Abweichung zur vorgegebenen Strömungsrichtung könnten die Kühlkanäle auch im Gegenstrom zur Verdichterströmung durchflossen sein. Desgleichen verlässt auch ein gleichsinniges Durchströmen aller Kühlkanäle entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn nicht den Rahmen der Erfindung. Abhängig von der Grösse des zu kühlenden Schaufelträgers können selbstverständlich auch mehrere Kühlpfade anstelle der beschriebenen zwei Pfade vorgesehen werden. Die richtige Wahl wird unter andern eine Frage des zulässigen Druckverlustes innerhalb des Kühlsystemes sein.
Schliesslich ist die neue Kühlmethode nicht nur bei stationären Gasturbinen anwendbar, sondern auch beispielsweise bei leichtbauenden Flugzeugturbinen. In diesem Fall wird als Material für den zu kühlenden Schaufelträger eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung verwendet.
Bezugszeichenliste
10
Rotor
11
Schaufelträger turbinenseitig
12
Hochdruckbeschaufelung turbinenseitig
13
Primärbrennkammer
14
Plenum
15
Brennstoffleitung
16
Diffusor
17
Verdichters
18
Hochdruckbeschaufelung von 17
19
Niederdruckbeschaufelung von 17
20
Niederdruckschaufelträger von 17
21
Hochdruckschaufelträger von 17
22
Kühlluftentnahme
23
Hitzeschutzschild
24
thermische Isolation
25
Mischstrecke
26, 26a
Kühlkanal
27
Kühlring
28
Zuleitung
29
Ableitung
30
Wasserzufuhrleitung
31
Umwälzpumpe
32
Druckhaltegefäss
33
Druckpumpe
34
Wasserrückführleitung
35
Wärmeaustauscher
36
Blende
37
Verbindungsleitung
38
Deckband
39
Eindrehung für Verdichterleitschaufel
40
Rippe an 27
41
Steg an 27
42
Stift an 27

Claims (11)

1. Schaufelträger für einen axial durchströmten Verdichter (17), vorzugsweise einen thermisch hochbelasteten Hochdruckverdichter, wobei der Schaufelträger (21) mit Kühlkanälen (26) versehen ist, welche in geschlossenem Kreis von einem Kühlmittel durchströmt sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühlkanäle (26,26a) zumindest annähernd in Umfangsrichtung innerhalb des Schaufelträgers (21) verlaufen, und sich in einem geschlossenen Wasserkreislauf befinden, welcher im wesentlichen aus einer Umwälzpumpe (31), einem Druckhaltegefäss (32) und einem Wärmeaustauscher (35) besteht.
2. Schaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (26,26a) ringförmig angeordnet sind, wobei jeder Kühlring (27) mit einer Zuleitung (28) und einer Ableitung (29) versehen ist.
3. Schaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (26,26a) schraubenförmig angeordnet sind.
4. Schaufelträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei schraubenförmiger Anordnung mindestens zwei separate Kühlpfade vorgesehen sind.
5. Schaufelträger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch-gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Schaufelträgers benachbarte Kühlkanäle gegensinnig durchströmt sind.
5. Schaufelträger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Schaufelträgers mindestens jeder zweite aufeinanderfolgende Kühlring oder mindestens jede zweite aufeinanderfolgende Schlaufe der schraubenförmigen Anordnung an einen separaten Kühlpfad angeschlossen ist.
7. Schaufelträger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (26) mit ihren Zu-und Ableitungen ein zusammenhängendes Skelett bilden, welches mit dem Schaufelträger vergossen wird.
8. Schaufelträger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (26a) in die Aussenwand des Schaufelträgers eingearbeitet werden und mit einem aufgeschweissten Deckband (38) verschlossen werden.
9. Schaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (26) an ihrem Aussenwandungen mit Rippen (40), Stegen (41) oder Stiften (42) versehen sind.
10. Schaufelträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrenen Kühlpfaden in der Wasserzufuhrleitung (30) eine Blende (36) angeordnet ist.
11. Schaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (26,26a) im Gleichstrom zur Verdichterströmung durchströmt sind.
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