Eine Gasturbinenanlage wird üblicherweise zur Erzeugung elek- tricher Energie eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt ei- nes Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Welle genutzt, die wiederum einen Generator oder eine Ar- beitsmaschine antreibt. Beim Betrieb der Gasturbinenanlage wird üblicherweise Umgebungsluft angesaugt und in einem der Gasturbine zugeordneten Luftverdichter auf einen hohen Druck verdichtet. Der größte Anteil der verdichteten Luft gelangt in eine oder mehrere Brennkammern und wird dort mit dem Brennstoff, beispielsweise Gas, vermischt.

Das Gas-Luft-Gemisch wird verbrannt, wobei die heißen Ver- brennungsgase bei ihrer arbeitsleistenden Entspannung die Welle antreiben. Die Gasturbine umfaßt dazu eine Anzahl von Turbinenschaufeln. Diese sind in mehreren Turbinenstufen in feststehenden Leitschaufeln und in sich mit dem Rotor drehen- den Laufschaufeln angeordnet. Über die in der Gasturbine er- zeugte Drehbewegung der Welle wird üblicherweise zusätzlich zu dem Generator auch der Luftverdichter der Gasturbinenan- lage angetrieben.

Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Gasturbine und da- mit zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades der Gasturbinenanlage wird eine besonders hohe Temperatur der Verbrennungsgase beim Eintritt in die Gasturbine von bei- spielsweise 1000 bis 1300 °C angestrebt. Die obere Grenze für diese Temperatur ergibt sich allerdings aus der thermischen Belastbarkeit der Turbinenschaufeln.

Eine Steigerung der Temperatur der Verbrennungsgase kann dann- zugelassen werden, wenn die Turbinenschaufeln so gekühlt wer- den, daß Schäden der Gasturbine zuverlässig verhindert sind.

Zur Kühlung der Turbinenschaufeln werden üblicherweise am Luftverdichter Teilluftströme entnommen und verschiedenen Turbinenstufen als Kühlluft zugeführt. Dadurch verringert sich jedoch die für die Verbrennung in der Gasturbine bereit- stellbare Luftmenge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gastur- bine anzugeben, bei der mit geringem technischen Aufwand die zur Kühlung einer Turbinenstufe bereitgestellte Kühlluftmenge gering gehalten ist. Zudem soll ein Verfahren zur Kühlung ei- ner Turbinenstufe der Gasturbine angegeben werden.

Die auf die Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsge- mäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer Turbinenstufe, um- fassend eine Leitschaufel, und mit einer Zuführung für Kühl- luft, die einen Kühlluftauslaß aufweist, wobei die Turbinen- stufe durch die Kühlluft kühlbar ist, welche über den Kühl- luftauslaß der Leitschaufel zuführbar ist, wobei die Zufüh- rung Mittel aufweist, über die ein vorgebbarer Druck der Kühlluft an dem Kühlluftauslaß einstellbar ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß der Druckauf- bau der verdichteten Luft in einem Luftverdichter der Gastur- binenanlage nicht linear, sondern stufenweise erfolgt. Der stufenweise Druckaufbau hängt dabei von verschiedenen Parame- tern, wie Umgebungstemperatur, Vorleitgitterstellung und Druckverhältnis, ab. Mit diesen Parametern variiert beim Be- trieb des Luftverdichters auch der an bestimmten Stellen des Luftverdichters herrschende Druck. Diese Schwankungen der Druckwerte an bestimmten Stellen des Luftverdichters sind nicht mehr so stark, liegen aber auch dann noch vor, wenn man die jeweiligen Druckwerte mit dem Druckwert am Luftverdich- terende normiert. Normierung bedeutet hierbei, einen Quotien- ten aus dem jeweiligen Druckwert an einer bestimmten Stelle

des Luftverdichters und dem Druckwert am Luftverdichterende zu bilden. Deswegen ist eine Auslegung des Kühlluftsystems für einen besonders geringen normierten Entnahmedruck an ei- ner bestimmten Stelle des Luftverdichters erforderlich. Dies führt bei wachsendem normierten Entnahmedruck zwangsläufig zu einem Anstieg der Kühlluftmenge über das erforderliche Maß hinaus. Dieser Effekt wirkt sich stark negativ auf den Wir- kungsgrad der Gasturbine aus, da die kalte Kühlluft die Tem- peratur des sich arbeitsleistend in der Gasturbine entspan- nenden Arbeitsmediums verringert.

Ein Überschuß an Kühlluft ist vermeidbar, wenn Schwankungen im Druck der Kühlluft besonders zuverlässig vermieden sind.

Dabei sollte im Hinblick auf verschiedene Betriebszustände der Gasturbine der Druck der Kühlluft einstellbar sein und der hierfür erforderliche technische Aufwand besonders gering ausfallen. Dies wird durch die Erfindung gelöst, indem die Kühlluft der Turbinenstufe über die Leitschaufel zuführbar ist, wobei ein vorgebbarer Druck der Kühlluft am Kühlluftaus- laß einstellbar ist.

Vorteilhafterweise ist einer Laufschaufel der Turbinenstufe Kühlluft über die Leitschaufel zuführbar. Aufgrund der hohen Fliehkraftbelastung der Laufschaufel ist nämlich ein Einbau von Mitteln zum Einstellen eines vorgebbaren Druck-Sollwerts der Kühlluft an der Laufschaufel mit technischen Schwierig- keiten verbunden. Diese Schwierigkeiten treten nicht auf, wenn über die Leitschaufel Kühlluft mit einem bestimmten Druck der Laufschaufel zugeführt wird.

Die Kühlluftzuführung weist vorteilhafterweise als Mittel ein Drosselelement, insbesondere eine Drosselklappe, auf. Mit dem Drosselelement, insbesondere der Drosselklappe, läßt sich nämlich konstruktiv besonders einfach bei bekannten Strö- mungsverhältnissen der Kühlluft ein vorgebbarer Druck der Kühlluft an dem Kühlluftauslaß einstellen.

Im Hinblick auf verschiedene Betriebszustände der Gasturbine- erweist sich der Einsatz einer Regeleinheit als vorteilhaft, über die die Mittel der Kühlluftzuführung regelbar sind.

Diese mißt beispielsweise über eine Meßleitung den Druck an dem Kühlluftauslaß und steuert dann entsprechend des vorgege- benen Drucks das Drosselelement an, wobei die Menge an zuge- führter Kühlluft einstellbar ist.

Vorteilhafterweise sind Mittel vorgesehen, über die die Strö- mungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung der Kühlluft stromab der Leitschaufel einstellbar sind. Auf diese Weise können die Stromungsgeschwindigkeit und die Strömungsrichtung der Kühlluft beim Eintritt in die Laufschaufel und/oder in die Welle so ausgelegt sein, daß die Kühlluft die lokale Um- fangsgeschwindigkeit der Laufschaufel und/oder der Welle be- sitzt, dem Betrage und der Richtung nach. Damit sind Verluste von Kühlluft und die erforderliche Menge an Kühlluft beson- ders gering gehalten. Außerdem führt eine Beschleunigung der Kühlluft zu einer Abkühlung derselben, so daß eine ausrei- chende Kühlung der Laufschaufel besonders zuverlässig gewähr- leistet ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen dabei diese Mittel eine Dralldüse.

Die Turbinenstufe, in die die Kühlluftzuführung mit dem Kühl- luftauslaß mündet, ist vorteilhafterweise eine Turbinenstufe, die zwischen einer ersten Turbinenstufe (Hochdruckstufe) und einer Endstufe (Niederdruckstufe) angeordnet ist. Solche Tur- binenstufen werden nämlich üblicherweise ausgehend von einer Entnahmestelle des Luftverdichters der Gasturbinenanlage durch die Welle mit Kühlluft versorgt. Die Versorgung einer mittleren Turbinenstufe mit Kühlluft über die Leitschaufel ermöglicht den Verzicht auf eine mit hohen Druckverlusten der Kühlluft verbundene separate Zuführung der Kühlluft über die Welle zur Laufschaufel der mittleren Turbinenstufe.

Bezüglich des Verfahrens zur Kühlung einer Turbinenstufe der Gasturbine mittels Kühlluft wird die genannte Aufgabe erfin-

dungsgemäß gelöst, indem die Kühlluft über einen einer Kühl-- luftzuführung nachgeschalteten Kühlluftauslaß der Leitschau- fel der Turbinenstufe zugeführt wird, wobei ein vorgebbarer Druck der Kühlluft an dem Kühlluftauslaß eingestellt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dabei einer Laufschau- fel der Turbinenstufe Kühlluft über die Leitschaufel zuge- führt. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Stro- mungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung der Kühlluft aus- gangsseitig nach (stromab) der Leitschaufel eingestellt wer- den.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson- dere darin, daß durch die Einstellung des vorgebbaren Drucks am Kühlluftauslaß Schwankungen im Druck der Kühlluft zuver- lässig verhindert sind und die erforderliche Menge an Kühl- luft besonders gering ist. Dadurch kann das Kühlluftsystem unabhängig vom Entnahmedruck für die Erfordernisse der Gas- turbine ausgelegt werden. Darüber hinaus sind die Druckver- luste der Kühlluft besonders gering gehalten, da diese über einen besonders kurzen Weg von der Leitschaufel in die Lauf- schaufel gelangt. Außerdem wird der Wirkungsgrad der Gastur- bine durch die geringe erforderliche Menge an Kühlluft ge- steigert. Wird das Kühlsystem dabei als geschlossenes System ausgeführt, d. h. wenn die Kühlluft nicht mit dem Arbeitsme- dium der Gasturbine vermischt wird, so kann dadurch eine wei- tere Steigerung des Wirkungsgrads der Gasturbine erreicht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich- nung näher erläutert. Darin zeigen : FIG 1 schematisch eine Gasturbinenanlage mit einer Gas- turbine und FIG 2 schematisch einen Längsschnitt durch eine Turbinen- stufe der Gasturbine gemäß Figur 1.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei-- chen versehen.

Die in Figur 1 schematisch dargestellte Gasturbinenanlage 2 umfaßt eine Gasturbine 4 mit angekoppeltem Luftverdichter 6.

Der Luftverdichter 6 ist eingangsseitig an eine Ansaugluft- leitung 8 angeschlossen. Der Gasturbine 4 ist zum Zuführen von Arbeitsmedium AM über eine Leitung 10 eine Brennkammer 12 vorgeschaltet, die an eine Frischluftleitung 14 des Luftver- dichters 6 angeschlossen ist. In die Brennkammer 12 der Gas- turbine 4 mündet eine für die Zuleitung von Brennstoff B vor- gesehene Brennstoffleitung 16. Die Gasturbine 4 und der Luft- verdichter 6 sowie ein Generator 18 weisen eine gemeinsame Welle 20 auf. Zum Zuführen von Kühlluft K für die Gastur- bine 4 ist der Luftverdichter 6 mit der Gasturbine 4 über eine Anzahl von Kühlluftleitungen 22 verbunden, von denen hier nur eine dargestellt ist. Dabei können die Kühlluftlei- tungen 22 von verschiedenen Stellen und damit Druckniveaus des Luftverdichters 6 ausgehen. Ausgangsseitig ist die Gas- turbine 4 an eine Abgasleitung 23 angeschlossen, über die entspanntes Arbeitsmedium AM und/oder erwärmte Kühlluft K die Gasturbine verlassen.

In Figur 2 ist eine Turbinenstufe 24 der Gasturbine 4 im Längsschnitt dargestellt. Diese befindet sich in Bezug auf die Strömungsrichtung 25 des Arbeitsmediums AM der Gastur- bine 4 hinter einer ersten Turbinenstufe 24A und vor der zweiten Turbinenstufe 24B der Gasturbine 4 im Heizgaska- nal 27. Die mittlere Turbinenstufe 24 der Gasturbine 4 umfaßt eine Leitschaufel 26, die am Gehäuse 29 der Gasturbine 4 an- geordnet ist, und eine an der Welle 20 angeordnete Laufschau- fel 30. Das Gehäuse 29 der Gasturbine 4 umschließt den Heiz- gaskanal 27, was in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist. Das Arbeitsmedium AM tritt annähernd horizontal mit der Strömungsrichtung 25 durch das Gehäuse 29 der Gasturbine 4, wobei es über Leitschaufeln 26 und Laufschaufeln 30 der ein- zelnen Turbinenstufen 24 geführt wird.

Zur Kühlung der mittleren Turbinenstufe 24 mit Kühlluft K ist- ein Kühlluftsystem 31 vorgesehen. Das Kühlluftsystem 31 weist eine durch das Gehäuse 29 der Gasturbine 4 geführte Zufüh- rung 32 für Kühlluft K auf, die mit einer oder mehreren der Kühlluftleitungen 22 in nicht näher dargestellter Weise ver- bunden ist. Uber diese Zuführung 32 für Kühlluft K gelangt aus dem Luftverdichter 6 der Gasturbinenanlage 2 Kühlluft K über einen Kühlluftauslaß 34 zur Leitschaufel 26. In der Zu- führung 32 ist als Mittel 36 zur Einstellung eines vorgebba- ren Drucks der Kühlluft K an dem Kühlluftauslaß 34 ein als Drosselklappe ausgebildetes Drosselelement 36 angeordnet.

Weiter umfaßt das Kühlluftsystem 31 eine Regeleinheit 38, die über eine Anschlußleitung 40 mit dem Drosselelement 36 und über eine Meßleitung 41 mit dem Kühlluftauslaß 34 verbunden ist.

Der durch die Leitschaufel 36 hindurch geführte Kühlluftka- nal 42 mündet ausgangsseitig in eine Dralldüse 44A. Die Dralldüse 44A wird durch zwei Abdichtungen gebildet, die in nicht näher dargestellter Weise an der Welle 20 befestigt sind. Die Abdichtungen schließen den Spalt zwischen der Leit- schaufel 26 und der Welle 20. Die Dralldüse 44A ist ein Mit- tel 44, über das die Strömungsgeschwindigkeit und die Strö- mungsrichtung der Kühlluft K ausgangsseitig nach der Leit- schaufel 26 eingestellt werden. Die die Dralldüse verlassende Kühlluft K strömt in den in der Welle 20 angeordneten Ka- nal 46. Hierfür ist keine zusätzliche Führung erforderlich, da der Druck der die Dralldüse 44A verlassenden Kühlluft K größer ist als der in dem Kanal 46 herrschende Druck. Bei- spielsweise weist die Kühlluft K in der Dralldüse 44A am Punkt X einen Druck von 9,97 bar und eine Temperatur von 410 °C auf, am Punkt Y ausgangsseitig nach der Dralldüse 44A einen Druck von 8,88 bar und eine Temperatur von 390 °C und am Punkt Z im Eingangsbereich des Kanals 46 einen Druck von 8,35 bar und eine Temperatur von 388 °C.

Über den durch das Innere der Welle 20 geführten Kanal 46 ge- langt die Kühlluft K in einen im Inneren der Laufschaufel 30 geführten Kanal 48. Alternativ kann die Kühlluft K auch di- rekt der Laufschaufel 30 zugeführt werden. Der Kanal 48 mün- det in den Heizgaskanal 27, wo eine Vermischung der Kühl- luft K mit dem Arbeitsmedium AM der Gasturbine 4 erfolgt.

Durch diese Beimischung von kalter Kühlluft zu im Vergleich dazu heißem Arbeitsmedium AM erfolgt eine Abkühlung des Ar- beitsmediums AM, wodurch der Wirkungsgrad der Gasturbine ge- ringer wird.

Das Kühlluftsystem 31 ist als offenes System ausgeführt. Bei einem offenen System wird die Kühlluft K mit dem Arbeitsme- dium AM der Gasturbine 4 vermischt. Alternativ kann jedoch auch ein geschlossenes System vorgesehen sein. Bei einem ge- schlossenen System gelangt die Kühlluft K nicht in das Ar- beitsmedium AM der Gasturbine 4, wodurch eine Steigerung des Wirkungsgrads der Gasturbine herbeigeführt werden kann.

Damit die zur Kühlung der Gasturbine 4 erforderliche Menge an Kühlluft K besonders gering ist, wird diese mit einem vorgeb- baren Druck über die Leitschaufel 26 der auf der Welle 20 an- geordneten Laufschaufel 30 zugeführt. Hierfür wird Kühlluft K dem Luftverdichter 6 der Gasturbinenanlage 2 entnommen und der mittleren Turbinenstufe 24 der Gasturbine 4 über eine der Kühlluftleitungen 22 zugeführt. Über die Zuführung 32 gelangt die Kühlluft K zu dem der Zuführung 32 nachgeschalteten Kühl- luftauslaß 34. Am Kühlluftauslaß 34 ist über die Regelein- heit 38 ein bestimmter Druck der Kühlluft K einstellbar.

Hierfür mißt die Regeleinheit 38 über die Meßleitung 41 mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Sensors den Druck der Kühlluft K ausgangsseitig nach dem Drosselelement 36 am Kühl- luftauslaß 34. Über die Anschlußleitung 40 steuert die Regel- einheit 38 die Öffnung des Drosselelements 36 derart, daß am Kühlluftauslaß 34 der von der Regeleinheit 38 vorgegebene Druck herrscht. Vom Kühlluftauslaß 34 aus gelangt die Kühl- luft K über den in der Leitschaufel 26 vorgesehenen Kanal 42

zu der ausgangsseitig nach der Leitschaufel 26 angeordneten Dralldüse 44A. Diese beschleunigt die Kühlluft K in Umfangs- richtung der Welle 20 derart, daß die Kühlluft K beim Ein- tritt in die Welle 20 deren lokale Umfangsgeschwindigkeit in Betrag und Richtung besitzt. Durch diese Beschleunigung wird die Temperatur der Kühlluft K bei ihrem Eintritt in die Welle 20 abgesenkt. Über den im Inneren der Welle 20 vorgese- henen Kanal 46 gelangt die Kühlluft K dann in die Laufschau- fel 30 und schließlich in den Heizgaskanal 27.

Die Führung der Kühlluft K über die Leitschaufel 26 zur Lauf- schaufel 30 der Gasturbine 4 erzeugt in der Turbinenstufe 24 besonders geringe Druckverluste in der Kühlluft K, da der Strömungspfad der Kühlluft K in der Turbinenstufe 24 beson- ders kurz ist. Eine Abkühlung der Kühlluft K bewirkt hierbei die Dralldüse 44A. Durch die Einstellung eines vorgebbaren Drucks am Kühllufteinlaß 34 der Leitschaufel 26 wird die Menge an Kühlluft K auf ein solches Maß begrenzt, wie zur Er- füllung der Kühlaufgabe erforderlich ist. Dadurch weist die Gasturbinenanlage 2 einen besonders geringen Verbrauch an Kühlluft K auf, wodurch sich ein relativ hoher Wirkungsgrad der Gasturbine 4 ergibt.