NO783121L - Oppsamlingsinnretning for fluidum utstoett fra turbinrotor-skovlender - Google Patents

Abstract

Oppsamlings.innretning for kjølefluidum utstøtt fra turbinrotor-skovlender

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt gassturbin-anlegg,

og nærmere bestemt en innretning for oppsamling av fluidum utstøtt fra en væskekjølt gassturbins skovlender.

Det er velkjent at virkningsgraden og ytelsen av et'<g>a,ssturbin-kraftanlegg kan forbedres ved at man øker tempera-

turen av de varme drivgasser og derved også turbinens drifts-temperatur. For å kunne benytte høye driftstemperaturer er det nødvendig med innretninger for kjøling av de mest utsatte turbin-komponenter, såsom forbrennings-overgangselementene, turbindysene og turbinskovlene. En av de mest effektive metoder for kjøling av turbinskovlene går ut på å tilføre et flytende kjølemedium til innvendige kanaler i skovlene, som beskrevet i US-PS

nr. 3 446 481.

Kjølemediet sirkulerer gjennom kanalene i skovlene, overfører varme fra skovlene og utstøtes deretter fra åpninger, i den ytre ende av hver skovl. Det utstøtte fluidum, bestående av damp og små dråper av kjølemediet, ville, dersom det fikk strømme Ut i de varme drivgasser, sterkt svekke turbinens ytelse og

Ville kunne forårsake korrosjon på utsatte komponenter på ned-strømssiden. Det er derfor nødvendig å foreta en effektiv oppsamling av kjølemediet som strømmer ut fra skovlene.

Innen faget har man erkjent nødvendigheten av å samle opp det utstøtte kjølemedium, hvilket fremgår av US-PS nr. 3 736 071.

I henhold til dette -patentskrift samles flytende kjølemedium i

en oppsamlingsinnretning utformet som en åpen, ringformet sliss inne i turbinhuset. I henhold til US-PS nr. 3 446 481 samles det utstøtte kjølemedium i en oppsamlingsinnretning utformet som

et ringformet kammer inne i turbinhuset.

Et problem som hittil ikke er blitt løst i faget,-er problemet med erosjon av materialene i oppsamlingsinnretningen. Kjølemediet utstøtes fra de ytre ender av turbinskovlene med periferihastigheter som overskrider 457 m/s. Denne tangentiale hastighet, sammen med sentrifugalkreftene som virker på det utstøtte kjølemedium, bevirker at kjølemediet slynges ut med en betydelig kraft, som må absorberes av oppsamlingsinnretningen.

Et annet problem som knytter seg til en oppsamlingsinnretning med åpent kammer, består i at turbulens som frem-bringes i oppsamlingsinnretningen av skovlene kan bryte hoved-strømmen av drivgasser gjennom turbinen. Turbulens kan også Wedføre at kjølemedium føres inn i strømmen av varme drivgasser, hvilket reduserer turbinens ytelse ytterligere.

Oppfinnelsen angår en innretning for oppsamling av kjøle-fluidum som strømmer ut fra fluidumkjølte turbinskovler i et gassturbin-kraftanlegg. Turbinen omfatter et hus, en i huset dreibart opplagret aksel, et turbinnav montert på akselen og et antall skovler som er montert på navet og strekker seg radialt ut fra dette. Skovlene har radialt utragende innvendige kjøle-kanaler anordnet for utslyngning av kjølemedium fra den ytre ende av hver skovl. Innretningen for oppsamling av kjølemediet som strømmer ut fra skovlendene omfatter et ringformet kammer anordnet inne i huset og med samme akse som skovlene. En slisset, ringformet vegg er anordnet mellom kammeret og skovlene, og denne vegg danner innløpet for utstøtt kjølefluidum til kammeret. 'Vegge har et antall nær hverandre liggende spissvinklede egger som danner den ringformede innerflate, og har slissede kanaler som strekker seg radialt og i vinkel gjennom veggen på de steder mot hvilke de skrånende flater av to naboegger konvergerer.

De spissvinklede egger av innerflaten fordeler kjølefluidumets trykkrefter og leder fluidumet til kanalene og inn i kammeret.

Skjønt de nye trekk ved oppfinnelsen er nærmere angitt

i kravene, vil oppfinnelsen bli forklart nærmere i den følgende detaljerte beskrivelse under henvisning til tegningene, hvor fig. 1 er et lengdesnitt av en del av' en gassturbin hvor innretningen ifølge oppfinnelsen for oppsamling av kjølefluidum er benyttet, fig. 2 er et forstørret tverrsnitt etter linjen 2-2

på fig. 1, fig. 3 er et tverrsnitt etter linjen 3 - 3 på fig.

2, og fig. 4 er et utspilt perspektivriss av den slissede, ringformede vegg som danner innløpet til kammeret på fig. 3.

Fig. 1, som det først skal refereres til, viser en del

av en turbin 10 med aksial strømning. Et turbinhus 12 inne-

holder en dreibar akse], med et nav 14 som er forsynt med en x ringformet rekke av radialt utragende skovler 16. Varme driv-

o

ga,sser av ca. 1540 C rettes ved hjelp av dyser (ikke vist) mot skovlene 16 for å dreie turbinnavet 14 og tilveiebringe rotasjons-kraft ved turbinens utgående aksel. For å motstå varm-korrosjon ha,r skovlene 16 radiale innvendige kjølekanaler 18 tilpasset

for sirkulering av et kjølemedium gjennom skovlene. Kjøle-

kanalene 18 har åpninger 20 for utstrømning av oppvarmet kjøle-fluidum (damp og overskudd av væskeformig kjølemedium) ved de

ytre ender av skovlene 16.

For oppsamling av det kjølefluidum som utstøtes gjennom åpningene 20, har huset 12 et ringformet kammer 22, som er aksialt innrettet med de dreibare skovler 16. En slisset, ringformet vegg 24 er anordnet mellom kammeret 22 og skovlene 16, hvorved veggen danner innløpet for det utstøtte kjølefluidum til kammeret.

Den ringformede vegg 24 har et antall inntil hverandre liggende spissvinklede égger 26 som danner veggens innerflate. Veggen 24 har slissede kanaler 28 som strekker seg radialt og i vinkel gjennom veggen ved roten av de spissvinklede egger 26.

De spissvinkledeegger 26 mottar kjølefluidumet, som har en hastighet av mer enn 457 m/s, og som støtes ut fra åpningene 20

i skovlene 16. De spissvinklede egger 26 har stor overflate og liten innfallsvinkel for beskyttelse mot trykkreftene av det

med høy hastighet strømmende kjølefluidum. De blir derfor motstandsdyktige overfor erosjon forårsaket av fluidumet. De skrånende egger26 sprer og avbøyer det utstøtte kjølemedium til de motstående flater og inn i de slissede kanaler 28, og deretter gjennom disse og inn i det ringformede kammer 22.

Kammeret 22 er forsynt med en innretning for drenering av det oppsamlede kjølefluidum (ikke vist), som strømmer inn i kammeret og ved tyngdekraftens virkning strømmer rundt i dette og til dreneringsinnretningen.

På fig. 2 er oppsamlingsinnretningen for kjølefluidumet vist ved hjelp av et tverrsnitt, som spesielt viser de slissede kanaler 28 gjennom veggen 24. De slissede kanaler 28 strekker seg gjennom veggen 24 ved roten av de spissvinklede egger 26. Kana,lene 28 strekker seg radialt og i vinkel gjennom veggen 24, således at de nøye svarer til strømningsbanen for kjølefuidumet, som støtes ut fra skovlene 16. Kjølefluidumet blir utstøtt med en radial hastighetskomponent som skyldes sentrifugalkraften og en tangential hastighetskomponent som skyldes skovlenes 16 rotasjonshastighet. Resultanthastigheten har en retning som er Vektorsummen av disse to komponenter. Når, som i den viste utførelse, den radiale hastighetskomponent og den tangentiale hastighetskomponent er stort sett like, vil således resultanthastigheten danne en vinkel på ca. 45° med radialen, i skovlenes rotasjonsretning. I dette tilfelle er de slissede kanaler 28 avskrånet tilsvarende i en vinkel på ca. 45° i skovlenes rotasjonsretning, slik som vist på fig. 2.

Den foretrukne konstruksjon av veggen 24 er vist på fig.

3 og 4 som et antall inntil hverandre anordnede, bueformede segmenter 30. Hvert segment 30 har en stort sett flat overflate 32 med slisser 34 anordnet radialt og på skrå i denne. Hvert segment 30 har en skarpt avsmalnende innvendig kant som danner de spissvinklede egger- 26 i veggens 24 innerflate. Slissene 34 danner de slissede kanaler 28 ved roten 27 av de spissvinklede egger 26 når segmentene 30 anordnes inntil hver-• andre for å danne veggen 24. Hvert segment 30 har et antall innrettede åpninger 36 anordnet over periferien av den flate overflate 32. I åpningene 36 blir det innsatt holdestifter 38,

som retter inn segmentene, hvorved veggen 24 dannes.

På fig. 3 er segmentene 30 vist anbragt ved siden av hverandre ved hjelp av stiftene 38, slik at veggen 24 dannes.

De indre sidevegger av kammeret 2 2 innbefatter ringformede holdeplater 40 med spor 42 langs periferien, hvilke opptar og avstøtter endene av stiftene 38. Platene 40 har også tettende skjermer 44 som er nøye innrettet med skovlene 16. De tettende skjermer

44 tjener til å avgrense overføringen av kjølefluidum fra skovlene 16 til kammeret 22, samt til å isolere kjølefuidumet fra, strømmen av varme drivgasser gjennom turbinen. Platene 40

har likeledes utsparinger 46 som fastholder fjærer 48. Fjærene

48 er vist som buede skiver med sentrale åpninger 50. Fjærene

48 griper over stiftene 38 og er anbragt mellom holdeplatene 40

og det ytterste av segmentene 30 på hver side, i den hensikt å presse segmentene 30 tett sammen under dannelse av veggen 24.

Med segmentene i sammenpresset stilling motstår de smale, tverrgående kanaler 28 inntrengning av de aksialt strømmende drivgasser og søker å holde det oppsamlede kjølemedium adskilt fra strømmen av drivgasser. Alternativt vil en hvilken som helst type trykkfjæranordning kunne presse segmentene tilstrekkelig godt sammen til å danne veggen 24.

I den spesielle utførelse som er vist, er veggen 24 dannet av ti buede segmenter 30. Hvert segment er 6,35 mm tykt og har en radial høyde av 31,75 mm og en radial høyde av den avsmalnende innerkant på 12,7 mm. De radialt og i vinkel anordnede slisser i. hvert segment er 1,5 2-4 mm dype og danner et antall 3 ,0 48 mm høye kanaler sammen med slissene i nabosegmentene.

Alternativt kan veggen 24 utføres i ett stykke, med de spissvinkledeegger 26 som den innvendige overflate og med slissformede kanaler 28 gjennom veggen i skjæringene mellom motstående skråflater.

I en annen alternativ utførelse kan veggen 24 dannes

av et antall buede segmenter 30, som er laminert sammen, f.eks. ved diffusjonsbinding i stedet for å holdes sammen ved hjelp av

.fjærer og stifter.

Den ovenfor beskrevne innretning sikrer mer effektiv oppsamling av fluidum som utstøtes fra væskekjølte turbinskovler. De spissvinklede egger av den indre overflate av oppsamlings-kammeret har stort overflateareal og danner en liten innfallsvinkel med kjølemediet som treffer flatene med stor hastighet, hvorved de motstår erosjon og nedbrytning som følge av dynamikken i det fluidum som oppsamles. Holdeplatenes tettende skjermer og den tverrgående orientering av de slissede kanaler gjennom kammerveggen skiller effektivt det oppsamlede fluidum fra driv-gassene som strømmer aksialt gjennom turbinen.

Claims (6)

1. Oppsamlingsinnretning for kjølefluidum som strømmer ut fra skovlene i en turbin, hvilken turbin omfatter et hus (12), en aksel som er dreibart opplagret i huset, et turbinnav (14) montert på akselen og turbinskovler (16) som er montert langs periferien av navet, og som strekker seg radialt utover fra dette, hvilke skovler (16) er forsynt med innvendige kjøle-kanaler som strekker seg radialt utover og er innrettet for utstøtning av kjølemedium fra de ytre ender av skovlene, karakterisert ved at den omfatter (a) et ringformet kammer (22) inne i huset (12), aksialt innrettet med skovlene (16), (b) en slisset, ringformet vegg (24) anordnet mellom kammeret (22) og skovlene (16), hvilken vegg danner innløpet til kammeret for kjølefluidumet som utstøtes fra skovlene, (c) idet veggen (24) har et antall inntil hverandre liggende, spissvinklede egger (26) som danner den ringformede indre overflate, og dessuten har slissformede kanaler (28) som strekker seg radialt og i vinkel gjennom veggen på de steder (27) hvor tilgrensende- eggers (26) flater skjærer hverandre, hvorved disse flater sprer og fordeler trykkreftene av kjøle-fluidumet og leder dette til kanalene (28) og inn i kammeret (22) .

2. Oppsamlingsinnretning ifølge krav 1, karakterisert ved at de slissformde kanaler (28) som strekker seg radialt og i vinkel gjennom veggen (24), skråner i en vinkel svarende til vektorretningen av det utstøtte kjølefluidum, slik denne bestemmes av sentrifugalkraften, hva den radiale komponent angår, og av turbinskovlenes rotasjonshastighet, hva den tangentiale komponent angår.

3. Oppsamlingsinnretning ifølge krav 2, karakterisert ved at de slissformede kanaler (28) skråner i en vinkel på ca. 45°, i turbinskovlenes rotasjonsretning.

4. Oppsamlingsinnretning ifølge krav 1, karakterisert ved at (a) den slissede, ringformede vegg (24) omfatter et antall buede segmenter (30) som hvert har generelt flate over-flater (32) med slisser anordnet radialt og i vinkel i disse, (b) hvert segment (30) har en skarpt avsmalnende indre kant (26), og (c) den er forsynt med innretninger for å holde segmentene (30) sammenpresset i en ringformet stabel, hvorved veggen (24) dannes, samt at de radialt og i vinkel anordnede slisser (34) i segmentene (30) danner de slissformede kanaler (28).

5. Oppsamlingsinnretning ifølge krav 4, karakterisert ved at (a) innretningene for å holde segmentene (30) på plass omfatter på linje innrettede åpninger (36) anordnet over periferien av segmentenes (30) flate partier, (b) innretningene for å holde segmentene (30) på plass omfatter et antall stifter (38) som strekker seg gjennom åpningene (36) og binder segmentene sammen, (c) kammerets (22) innervegg innbefatter ringformede holdeplater (40) , (d) holdeplatene (40) har spor (42) langs periferien, og (e) stiftene (38) opptas i sporene (42) for å holde veggen (24) i stilling.

6. Oppsamlingsinnretning ifølge krav 5, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et antall trykkfjærer (48) anordnet mellom det ytterste lag av segmentene (30) og holdeplatene (40), hvorved segmentstabelen holdes fast sammenpresset .