EP2206885A1

EP2206885A1 - Gasturbine

Info

Publication number: EP2206885A1
Application number: EP09000161A
Authority: EP
Inventors: Fathi Ahmad; Giuseppe Gaio; Holger Dr. Grote; Christian Lerner; Mirko Milazar; Mathias Stutt; Thomas-Dieter Tenrahm; Bernd Vonnemann
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2010-07-14

Abstract

Eine Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4), einer Anzahl von Leitschaufelreihen und einem Leitschaufelträger (16), soll unter Beibehaltung eines besonders hohen Wirkungsgrades den Austausch von Leitschaufeln weiter vereinfachen und somit für eine besonders kurze Reparaturdauer ausgelegt sein. Dazu ist eine Anzahl von Leitschaufeln (14) mittels einer parallel zur Turbinenachse (9) ausgerichteten Schwalbenschwanzverbindung (34) am Leitschaufelträger (16) befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einer Brennkammer, einer Anzahl von Leitschaufelreihen und einem Leitschaufelträger. Sie betrifft weiterhin eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer derartigen Gasturbine.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffes zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Strömungsführung des Arbeitsmediums sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene, zu Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln angeordnet. Diese sind über einen Schaufelfuß an einem üblicherweise hohlzylinder- oder hohlkegelförmigen Leitschaufelträger befestigt und an ihrer der Turbinenachse zugewandten Seite über einen Schaufelkopf an einem der jeweiligen Leitschaufelreihe gemeinsamen Innenring befestigt. Bei stationären Gasturbinen besteht der Leitschaufelträger häufig aus einer oberen und einer unteren Hälfte, die über Flansche miteinander verbunden sind.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Dabei werden Temperaturen von etwa 1.200 °C bis 1.500 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.
Derartig hohe Temperaturen des Arbeitsmediums liegen jedoch weit über der Schmelztemperatur der beispielsweise im Abströmbereich der Brennkammer eingesetzten Komponentenmaterialien, so dass die kritischen Komponenten zur Sicherstellung der erforderlichen Funktion der Gasturbine stark gekühlt und mit komplexen Beschichtungssystemen geschützt werden müssen. Dabei kann es vereinzelt nicht ausgeschlossen werden, dass trotz Einsatz dieser hoch entwickelten und vielfach erprobten Technologien für die Kühlung und Beschichtung der Schaufeln ein vorzeitiger Austausch von Leitschaufeln erforderlich wird, da die Schaufelfunktion beispielsweise durch partiellen Verlust der Beschichtung oder Verschluss von Kühlluftbohrungen unzulässig beeinträchtigt wird. Bei großen stationären Gasturbinen kann eine solche Austauschmaßnahme bestenfalls mehrere Tage, im Schnitt jedoch ca. zwei Wochen dauern, so dass dadurch eine ungewollte und teure Unterbrechung des Betriebs der Gasturbine oder eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerks, in dem die Gasturbine eingesetzt wird, verursacht wird.
Aus der WO 2004/057158 A1 ist eine Gasturbine bekannt, in der versucht wird dieses Problem zu lösen, indem die Leitschaufeln mittels einer Klemmvorrichtung, beispielsweise eines Zugankers befestigt sind, so dass ein einfaches Lösen einzelner Leitschaufeln und eine Entnahme in axialer Richtung durch die Brennkammer der Gasturbine möglich ist.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine anzugeben, welche unter Beibehaltung eines besonders hohen Wirkungsgrades den Austausch von Leitschaufeln weiter vereinfacht und somit für eine besonders kurze Reparaturdauer ausgelegt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Anzahl von Leitschaufeln mittels einer parallel zur Turbinenachse ausgerichteten Schwalbenschwanzverbindung am Leitschaufelträger befestigt ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine verkürzte Reparaturdauer durch eine weiter vereinfachte Austauschbarkeit der Leitschaufeln möglich wäre, wenn die Befestigung der Leitschaufeln am Leitschaufelträger wartungsfreundlicher gestaltet werden könnte. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die bisher bekannte Klemmverbindung mit einem Zuganker durch eine einfachere Konstruktion in der Art einer Steckverbindung ersetzt wird. Eine besonders einfache und sichere Verbindung ist dabei durch eine Schwalbenschwanzverbindung erreichbar. Um den Ausbau der Leitschaufeln in Richtung der Brennkammer zu ermöglichen, sollte diese Schwalbenschwanzverbindung dabei parallel zur Turbinenachse ausgerichtet sein.
Die höchsten Temperaturen in der Gasturbine liegen am Austritt der Brennkammer vor. Somit ist die Leitschaufel der ersten Turbinenstufe, d. h. die Leitschaufel, die der Brennkammer am nächsten liegt, diesen höchsten Temperaturen ausgesetzt und unterliegt dem größten Verschleiß. Dementsprechend ist insbesondere bei dieser Turbinenleitschaufel ein vorzeitiger Austausch in Folge einer Beschädigung durch Zusetzen der Kühlluftbohren (z. B. durch nach innen aufoxidierende Kühlluftbohrungen) zu erwarten. Um den Austausch dieser Leitschaufeln besonders zu vereinfachen, sollte der Leitschaufelträger daher vorteilhafterweise im Bereich der einer Brennkammer der Gasturbine am nächsten liegenden Leitschaufelreihe segmentiert werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Brennkammer der Gasturbine einen Hitzeschild, welcher in radialer Richtung in der Höhe der Schwalbenschwanzverbindung angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung verhindert der Hitzeschild der Brennkammer ein Herausschieben der Schwalbenschwanzverbindung in axialer Richtung. Zum Ausbau der entsprechenden Leitschaufel wird in der Brennkammer der Hitzeschild demontiert, wodurch die Schwalbenschwanzverbindung freigegeben wird und somit die Leitschaufel in Richtung Brennkammer herausgezogen werden kann. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage und Demontage bei gleichzeitig sicherer Fixierung der Leitschaufel.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Brennkammer einen Hitzeschild, der eine Wand einer Nut bildet, in der eine der jeweiligen Leitschaufel angeformte Feder angeordnet ist. Damit wird auch eine einfache Fixierung der jeweiligen Leitschaufel an der Schaufelkopfseite ermöglicht. Die Leitschaufel wird in die Schwalbenschwanzverbindung geschoben und der Hitzeschild in die Brennkammer eingebaut. Die der Leitschaufel angeformte Feder sitzt dann in der vom Hitzeschild mitgeformten Nut und ist somit an der Schaufelkopfseite mittels einer Nut-Feder-Verbindung fixiert. Bei gleichzeitig guter Fixierung im Betriebszustand ist somit diese Leitschaufel durch Ausbau des Hitzeschildes bei Stillstand der Gasturbine besonders leicht entnehmbar.
Durch die thermische Ausdehnung im Heißgas der Gasturbine können die Leitschaufeln während des Betriebs der Gasturbine Pendelbewegungen (sog. Tilting) ausführen. Um diese notwendigen Pendelbewegungen der Leitschaufel aufzufangen, ist daher die jeweilige Leitschaufel an einem Leitschaufelhalter befestigt, welcher Bestandteil des Leitschaufelträgers ist, und wobei der Leitschaufelhalter um eine zu einem Radius um die Turbinenachse tangentialen Achse beweglich gelagert ist. Durch einen derartig drehbar gelagerten Leitschaufelhalter können Spannkräfte auf die Leitschaufel aufgefangen werden, die sonst zu eventuellen Beschädigungen führen könnten.
Für den Fall, dass der Leitschaufelträger einen derartigen pendelnd gelagerten Leitschaufelhalter umfasst, entsteht ein Spalt zwischen Leitschaufelhalter und übrigem Leitschaufelträger. Um diesen Spalt gegen Eindringen von Heißgas aus dem Turbineninneren abzudichten, ist zwischen dem Leitschaufelhalter und dem übrigen Leitschaufelträger vorteilhafterweise eine Bürstendichtung angeordnet. Eine derartige Bürstendichtung kann die Pendelbewegungen des Leitschaufelträgers kompensieren und so in jedem Stellzustand des pendelnd gelagerten Leitschaufelhalters für eine gute Abdichtung des Leitschaufelträgers sorgen.
Um die Verbindung der Leitschaufel an ihrem Schaufelfuß mit dem Leitschaufelträger weiter zu verstärken, ist die jeweilige Leitschaufel vorteilhafterweise mit einer Mehrzahl von Schwalbenschwanzverbindungen am Leitschaufelträger befestigt.
Für eine Sicherung der Leitschaufeln in der Schwalbenschwanzverbindung in axialer Richtung weist die jeweilige Schwalbenschwanzverbindung an der der Brennkammer der Gasturbine abgewandten Seite einen Anschlag auf. Somit wird die jeweilige Leitschaufel beim Einbau durch die Brennkammer der Gasturbine in die Schwalbenschwanzverbindung eingesteckt und axial bis an den Anschlag der Schwalbenschwanzverbindung geführt. Dadurch ist eine zuverlässige Sicherung der Leitschaufeln gegen die Kräfte des im Betrieb an der Leitschaufel vorbeiströmenden Heißgases gewährleistet.
Vorteilhafterweise kommt eine derartige Gasturbine in einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk zum Einsatz.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Fixierung einer Anzahl von Leitschaufeln mittels einer parallel zur Turbinenachse ausgerichteten Schwalbenschwanzverbindung am Leitschaufelträger ein besonders einfacher Austausch von Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe durch die Brennkammer in axialer Richtung möglich wird. Der Aufwand für den Austausch der Schaufeln wird erheblich vermindert und die erforderliche Stillzeit der Gasturbine kann deutlich reduziert werden. Ein derartiger vereinfachter Austausch insbesondere der ersten Leitschaufelstufe direkt im Anschluss an die Brennkammer ermöglicht außerdem eine Erhöhung der Austrittstemperatur in Verbindung mit einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbine, da durch die vereinfachte Austauschmöglichkeit der Leitschaufeln auf deren Haltbarkeit weniger Rücksicht genommen werden muss. Dabei sind im Betrieb variable Tauschkonzepte denkbar. Weiterhin ermöglicht eine derartige Konstruktion durch den vereinfachten Austausch in Forschung und Entwicklung einen vergleichsweise schnelleren Test neuer Prototypen von Leitschaufeln beispielsweise mit neuartigen Beschichtungen oder neuen Kühlkonzepten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1: einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
FIG 2: eine Leitschaufel der ersten Turbinenstufe in einem Schnitt senkrecht zur Turbinenachse, und
FIG 3: eine Leitschaufel der ersten Turbinenstufe im Halbschnitt.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbineneinheit 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbineneinheit 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Turbinenachse 9 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
Die Turbineneinheit 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Leitschaufelträger 16 der Turbineneinheit 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 14 weist einen Schaufelfuß 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 an einem Leitschaufelträger 16 der Turbineneinheit 6 als Wandelement angeordnet ist. Der Schaufelfuß 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbineneinheit 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über einen Schaufelkopf 19 an der Turbinenwelle 8 befestigt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 an einem Leitschaufelträger 16 der Turbineneinheit 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse im Leitschaufelträger 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.
Die Brennkammer 4 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten Brennern 10 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.
Eine besonders einfache Befestigung der Leitschaufeln 14 am Leitschaufelträger 16 soll nun einen Ausbau der Leitschaufeln 14 insbesondere der ersten, d. h. der Brennkammer 4 am nächsten liegenden Turbinenstufe ermöglichen. Eine derartige Befestigung ist in FIG 2 gezeigt.
Die Leitschaufel 14 umfasst dabei zwei Federn 30, die mit entsprechenden Nuten 32 des Leitschaufelträgers 16 jeweils eine Schwalbenschwanzverbindung 34 bilden, welche in axialer Richtung bzgl. der Turbine verläuft. Dadurch können die Leitschaufeln 14 einfach durch Herausziehen in Richtung der Brennkammer 4 entnommen werden und es wird ein besonders einfacher Austausch möglich.
Die Leitschaufel 14 der ersten Turbinenstufe ist noch einmal im Halbschnitt in FIG 3 gezeigt. Im Profil zeigt FIG 3 auch die Schwalbenschwanzverbindung 34 mit Feder 30 an der Leitschaufel 14 und Nut 32. Zur Sicherung der Leitschaufel in axialer Richtung auf der der Brennkammer 4 abgewandten Seite weist die Schwalbenschwanzverbindung 34 einen Anschlag 36 auf.
Brennkammerseitig ist die Leitschaufel 14 in der Nut 32 durch einen montierten Hitzeschild 38 gesichert. Auf der Schaufelkopfseite der Leitschaufel 14 ist eine entsprechende Befestigung mittels eines Hitzeschilds 40 vorgesehen, welcher die Wand 42 einer Nut 44 bildet, in welcher eine Feder 46 der Leitschaufel 14 angeordnet ist. Durch Entnahme der Hitzeschilde 38, 40 wird einerseits die Nut 44 geöffnet und die Leitschaufel 14 schaufelkopfseitig freigegeben, andererseits wird auch die Schwalbenschwanzverbindung 34 freigegeben, die Leitschaufel 14 lässt sich einfach in Richtung der Brennkammer 4 axial aus der Schwalbenschwanzverbindung 34 ziehen.
Um Pendelbewegungen der Leitschaufel 14 aufzunehmen, umfasst der Leitschaufelträger 16 einen Leitschaufelhalter 48, welcher die Nut 32 aufweist, in der die Leitschaufel 14 befestigt ist. Der Leitschaufelhalter 48 ist um eine zu einem Radius um die Turbinenachse tangentialen Achse 50 beweglich gelagert. Dadurch kann der Leitschaufelhalter 48 entsprechende Pendelbewegungen der Leitschaufel 14 kompensieren. Um eine Abdichtung der Spalte 52 gegen eindringendes Heißgas zu gewährleisten, sind in den Spalten 52 zwischen Leitschaufelhalter 48 und übrigem Leitschaufelträger 54 Bürstendichtungen 56 angeordnet. Die Bürstendichtungen 56 passen sich an die veränderlichen Spaltmaße durch die Pendelbewegung des Leitschaufelhalters 48 besonders gut an.
Durch ein derartige Befestigung der Leitschaufel 14 am Leitschaufelträger 16 kann eine deutlich vereinfachte Reparatur durch eine besonders einfache Austauschbarkeit einzelner Laufschaufeln insbesondere der ersten Turbinenstufe bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad der Gasturbine 1 erreicht werden.

Claims

Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4), einer Anzahl von Leitschaufelreihen und einem Leitschaufelträger (16),
wobei eine Anzahl von Leitschaufeln (14) mittels einer parallel zur Turbinenachse (9) ausgerichteten Schwalbenschwanzverbindung (34) am Leitschaufelträger (16) befestigt ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1,
bei der die jeweilige Leitschaufel (14) der einer Brennkammer (4) der Gasturbine (1) am nächsten liegenden Leitschaufelreihe zugeordnet ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 2,
bei der die Brennkammer (4) einen Hitzeschild (38) umfasst, welcher in radialer Richtung in der Höhe der Schwalbenschwanzverbindung (34) angeordnet ist.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 3,
bei der die Brennkammer (4) einen Hitzeschild (40) umfasst, der eine Wand (42) einer Nut (44) bildet, in der eine der jeweiligen Leitschaufel (14) angeformte Feder (46) angeordnet ist.
Gasturbine (1) einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der der Leitschaufelträger (16) einen Leitschaufelhalter (48) umfasst, an dem die jeweilige Leitschaufel (14) befestigt ist, und wobei der Leitschaufelhalter (48) um eine zu einem Radius um die Turbinenachse tangentialen Achse (50) beweglich gelagert ist.
Gasturbine (1) nach einem der Anspruch 5,
bei der zwischen dem Leitschaufelhalter (48) und dem übrigen Leitschaufelträger (54) eine Bürstendichtung (56) angeordnet ist.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei der die jeweilige Leitschaufel (14) mit einer Mehrzahl von Schwalbenschwanzverbindungen (34) am Leitschaufelträger (16) befestigt ist.
Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei der die jeweilige Schwalbenschwanzverbindung (34) an der der Brennkammer (4) der Gasturbine (1) abgewandten Seite einen Anschlag (36) aufweist.
Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.