Menke, Christian (Thusneldastr. 25, Essen, 45329, DE)
| 1. | Axial durchströmbare, stationäre Gasturbine mit einem in einer Turbineneinheit angeordneten ringförmigen Heißgaskanal sowie mit einem in der Turbineneinheit vorgesehenen, in Strömungsrichtung des Heißgases gesehen ersten Leitschaufelkranz aus kranzförmig angeordneten Turbinenleitschaufeln, die jeweils eine radial äußere Plattform (2a) und eine radial innere Plattform (2b) zur radialen Begrenzung des Heißgaskanals und ein zwischen diesen im Heißgaskanal angeordnetes Schaufelblatt (4) aufweisen, wobei zur Einstellung einer variablen Anströmfläche des Schaufelblatts (4) mindestens eine der Plattformen (2a, 2b) verstellbar ausgebildet ist. |
| 2. | Gasturbine nach Anspruch 1, bei der der Strömungspfad eines die Gasturbine durchströmenden Massenstromes im Bereich der verstellbaren Turbinenschaufel angeordnet ist. |
| 3. | Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die äußere Plattform (2a) und/oder die innere Plattform (2b) um eine in Radialrichtung verlaufende Drehachse (D) verstellbar angeordnet sind bzw. ist. |
| 4. | Gasturbine nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die äußere Plattform (2a) und/oder die innere Plattform (2b) jeweils mit einem radial verstellbar angeordneten uförmigen Profil (8a, 8b) versehen sind bzw. ist. |
| 5. | Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die äußere Plattform (2a) und/oder die innere Plattform (2b) jeweils mit einer zugehörigen Verstelleinrichtung (6) versehen sind bzw. ist. |
| 6. | Gasturbine nach Anspruch 5, bei der die Verstelleinrichtung (6) in die jeweilige Plattform (2a, 2b) integriert ist. |
| 7. | Gasturbine nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Verstelleinrichtung (6) als Aktuator, als Federelement oder als hydraulisches Element ausgebildet ist. |
| 8. | Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die jeweilige Plattform (2a, 2b) im Bereich einer Aufnahme (10) für das Schaufelblatt (4) mit einem Dichtungselement (12) versehen ist. |
| 9. | Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die jeweilige Plattform (2a, 2b) mit mindestens einer Öffnung (14) zur Zuführung eines Kühlmediums in einem zwischen der jeweiligen Plattform (2a, 2b) und dem zugehörigen uförmigen Profil (8a, 8b) gebildeten Hohlraum (H) versehen ist. |
| 10. | Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der eine in Strömungsrichtung des Heißgases gesehen erste Turbinenstufe den Leitschaufelkranz mit Turbinenleitschaufeln mit verstellbaren Plattformen aufweist. |
| 11. | Verfahren zum Betreiben einer mit konstanter Drehzahl betriebenen stationäre Gasturbine, bei der in Abhängigkeit von der benötigten Last der minimale Strömungsquerschnitt des Strömungspfads des Massenstromes mittels verstellbarer Plattformen der Turbinenleitschaufeln der ersten Turbinenstufe eingestellt wird. |
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gasturbine.
Herkömmliche stationäre Gasturbinen zur Energieerzeugung werden im Allgemeinen für einen festen Betriebspunkt konstruiert, so dass sie bei einer vorbestimmten Nenn- Belastung den höchsten Wirkungsgrad erzielen. Die die stationäre Gasturbine definierenden Konstruktionsparameter, wie Massenstrom, Nenn-Leistung, Schluckvermögen, maximal mögliche Turbineneintrittstemperatur, Turbinendruckverhältnis und Verdichterdruckverhältnis und weitere, werden während der Planung der stationären Gasturbine festgelegt. Daraufhin werden die Bauteile gemäß den Parametern berechnet und in einer festen Körperform hergestellt.
Um die Maschine an neue Anforderungen des Betreibers, wie z. B. eine größere Nenn-Leistung oder einen besseren Wirkungsgrad anzupassen, werden die dazu relevanten Bauteile ausgetauscht. Die neuen Bauteile unterscheiden sich in Form und Größe meist geringfügig gegenüber den ursprünglich eingebauten und bewirken dann die gewünschte Änderung der genannten Parameter. Auch denkbar ist, dass ein Betreiber der Maschine eine geringere als ursprünglich geplante Netto- Leistungsabgabe für einen bestimmten Zeitraum erzielen und darum den Betriebspunkt der Maschine verändern möchte, um über diesen Zeitraum die Maschine mit verbessertem
Wirkungsgrad zu betreiben.
Darüber hinaus kann beim Betrieb der stationären Gasturbine diese Aufgrund des tatsächlichen Leistungsbedarfs eines elektrischen Generators entgegen ihrer Dimensionierung im Teillastbetrieb betrieben werden. Die Leistungsausbeute ist dann nicht mehr optimal und der Wirkungsgrad verringert sich, was bisher jedoch hingenommen wurde.
Darüber hinaus ist beispielsweise aus der US 4,557, 665 ein radial durchströmter Turbolader für einen Verbrennungsmotor bekannt, der eine einstellbare Einlass-Geometrie für die zugehörige Radialturbine aufweist, um die bei der Drehzahlsteigerung des Verbrennungsmotors auftretende zeitliche Verzögerung im Druckaufbau im Turbolader zu verkürzen. Dadurch passt sich die Drehzahl des Turboladers entsprechend den Anforderungen der Verbrennungsmaschine ohne Verzögerung an. Eine ähnliche verstellbare Einlass-Geometrie für einen Abgasturbolader ist aus der EP 1 128 025 A2 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfach ausgestaltete stationäre Gasturbine anzugeben, deren Wirkungsgrad und Leistungsabgabe im Teillastbetrieb verbessert ist. Des Weiteren ist dazu ein Verfahren zum Betreiben der stationären Gasturbine anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine gattungsgemäße Gasturbine mit einer Turbinenleitschaufel gelöst, welche zur Einstellung einer variablen Anströmfläche des Schaufelblatts mindestens eine verstellbare Plattform aufweist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine variable Einstellung der Strömungsquerschnitte der Turbinenleitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes der Turbineneinheit bei einer mit konstanter Drehzahl
betriebenen, stationären Gasturbine möglich ist. Durch die Änderung der Anströmfläche des Schaufelblatts der Turbinenleitschaufel wird auch der minimale Strömungsquerschnitt der stationären Gasturbine verändert, den das Heißgas durchströmt. Dabei wird der Austausch von Turbinenleitschaufeln mit unterschiedlichen Körperformen sicher vermieden werden. Es wird in der stationären Gasturbine der in Strömungsrichtung des Heißgases gesehen erste Leitschaufelkranz mit Turbinenleitschaufeln ausgestattet, welche jeweils zumindest in einem Teilbereich des Schaufelblattes zur Änderung ihrer Anströmfläche entsprechend ausgebildet sind. Hierzu weist die Turbinenleitschaufel mindestens eine Plattform-eine äußere und/oder eine innere Plattform-auf, welche verstellbar ausgebildet ist. Dies ermöglicht im Betrieb eine stetige Optimierung des Wirkungsgrades der stationären Gasturbine trotz wechselnder Leistungsabgaben, insbesondere beim Teillastbetrieb. Eine Vergrößerung des Strömungsquerschnitts führt in der Regel zu einer Leistungssteigerung.
Die Einstellung des Strömungsquerschnitts erfolgt an der Stelle der stationären Gasturbine, an der der die stationäre Gasturbine, d. h. Verdichter, Brennkammer und Turbineneinheit, durchströmende Massenstrom auf den kleinsten Strömungsquerschnitt trifft. Dieser liegt im Bereich der Leitschaufeln der ersten Turbinenstufe der Turbineneinheit.
Dadurch kann das so genannte Schluckvermögen der stationären Gasturbine derartig eingestellt werden, dass die Gasturbine in verschiedenen Betriebsbereichen stets mit bestmöglichen Wirkungsgrad und optimierter Leistung betrieben wird. Diese Verstellung kann einmalig vor dem Betrieb der Gasturbine und/oder auch während des Betriebs vorgenommen werden.
Vorzugsweise sind bzw. ist die äußere Plattform und/oder die innere Plattform in radialer Richtung, entlang der Längsachse des Schaufelblatts, verstellbar angeordnet. Durch die Veränderung der Position mindestens einer der Plattformen
wird die im Bereich des Schaufelblatts gebildete Anströmfläche in der Länge vergrößert bzw. verkleinert. Je nach Ausführungsform der Turbinenleitschaufel können beide Plattformen symmetrisch verstellt werden. Alternativ kann bzw. können nur eine der Plattformen oder beide asymmetrisch verstellt werden. Bevorzugt ist die Position mindestens einer der Plattformen in einem Bereich von 5 mm bis 10 mm, insbesondere von 5 mm bis 7 mm oder von 7 mm bis 9 mm, verstellbar. Dabei können die beiden Plattformen symmetrisch oder getrennt voneinander verstellt werden.
Alternativ oder zusätzlich sind bzw. ist die äußere Plattform und/oder die innere Plattform jeweils mit einem verstellbar angeordneten u-förmigen Profil, z. B. einem u-förmigen Ring, versehen. Das u-förmige Profil wird in der Art eines Deckels auf die betreffende Plattform aufgesetzt, so dass die Schenkel oder der umlaufende Ring die Plattform-Außenwandung umgibt. Im Steg des u-förmigen Profils ist eine Öffnung, insbesondere ein Schlitz, zur Aufnahme des zugehörigen Schaufelblattendes vorgesehen. Dabei können bzw. kann die äußere Plattform und/oder die innere Plattform um eine Drehachse verstellbar angeordnet sein. Hierdurch wird das endseitig in den Plattformen angeordnete Schaufelblatt um seine Längsachse gedreht, so dass sich der Strömungsquerschnitt ändert. Bevorzugt wird das Schaufelblatt um die Drehachse in einem Bereich von +/-10° des so genannten Stafflungswinkel gedreht. Durch die Veränderung der Schaufelblattstellung kann ein optimaler Wirkungsgrad eingestellt werden.
Zweckmäßigerweise sind bzw. ist die äußere Plattform und/oder die innere Plattform jeweils mit einer zugehörigen Verstelleinrichtung versehen. Vorzugsweise ist die Verstelleinrichtung in die jeweilige Plattform integriert.
Hierdurch ist die Verstelleinrichtung gegenüber unmittelbaren Temperatur-und Strömungsbeanspruchungen hinreichend sicher angeordnet. Bevorzugt ist die Verstelleinrichtung als
Aktuator, als Federelement oder als hydraulisches Element ausgebildet. Dabei ist die Plattform selbst oder das u- förmige Profil mittels der Verstellelnrichtung stufenlos oder in Stufen in radialer Richtung oder um die Drehachse bewegbar.
Damit kein heißes Strömungsmedium in einen zwischen der jeweiligen Plattform und dem Profil gebildeten Hohlraum einströmt, ist vorzugsweise jeweils ein Dichtungselement zwischen der Plattform und dem Profil sowie im Bereich der Öffnung zur Aufnahme des zugehörigen Schaufelblattendes vorgesehen.
Je nach Art und Aufbau kann die Turbinenleitschaufel zusätzlich gekühlt sein. Dabei ist die jeweilige Plattform vorteilhafterweise mit mindestens einer Öffnung zur Zuführung eines Kühlmediums in einem zwischen der jeweiligen Plattform und dem zugehörigen Profil gebildeten Hohlraum versehen.
Vorzugsweise bilden mehrere kranzförrnig zu einer Welle angeordnete Turbinenleitschaufeln einen Turbinenleitschaufelkranz. Zur Einstellung des variablen Strömungsquerschnitts des TurbinenleatschauEelkranzes sind die oberen d. h. radial äußeren Plattformen und die unteren d. h. radial inneren Plattformen jeweils über einen zugehörigen Verstellring in Radialrichtung der Welle verstellbar ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind die Verstellringe symmetrisch bewegbar.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung einer Turbinenleitschaufeln mit verstellbaren Plattformen in besonders einfacher Art und Weise der Strömungsquerschnitt der stationären Gasturbine beim Betrieb veränderbar ist. Je
nach Betriebsanforderung bzw. -belastung kann die jeweilige Turbinenleitschaufel, insbesondere deren Schaufelblatt und/oder deren Plattformen, mittels der Verstelleinrichtung in eine gewünschte Stellung gebracht werden, die einen den Betriebsanforderungen entsprechenden Strömungsquerschnitt, insbesondere den minimalen Strömungsquerschnitt des Strömungspfads, bewirkt. Dies führt zu einem möglichst guten Turbinendruckverhältnis bzw. Verdichterdruckverhältnis, das wiederum einen bestmöglichen Wirkungsgrad und Leistungsgewinn zur Folge hat. Zudem kann die Turbinenleitschaufel während des Betriebs der stationären Gasturbine verstellt, insbesondere verdreht, werden. Es kann ein größerer Betriebsbereich, auch im Teillastbereich, mit optimiertem Wirkungsgrad und optimierter Leistung gefahren werden.
Darüber hinaus ist ein Neugießen von Turbinenleitschaufeln sicher vermieden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen : FIG 1 schematisch eine Turbinenleitschaufel mit einer äußeren und innere Plattform und einem dazwischen angeordneten Schaufelblatt, FIG 2 schematisch einen Querschnitt durch eine Turbinenleitschaufel mit diese kennzeichnenden Parametern, und FIG 3 schematisch einen Querschnitt durch einen Turbinenleitschaufelkranz und den diesen kennzeichnenden Strömungsquerschnitt einer stationären Gasturbine.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt eine Turbinenleitschaufel 1 mit einer außeren Plattform 2a und einer inneren Plattform 2b und einem zwischen diesen angeordneten Schaufelblatt 4. Die Turbinenleitschaufel 1 ist beispielsweise Teil eines Turbinenleitschaufelkranzes einer nicht näher dargestellten stationären Gasturbine.
Zur Einstellung eines variablen Strömungsquerschnitts Qs der stationären Gasturbine im Bereich des Schaufelblatts 4 ist mindestens eine der Plattformen 2a oder 2b verstellbar ausgebildet. Mit der Verstellung der Plattformen verändert sich zugleich die von dem Heißgas anströmbare Anströmfläche des Schaufelblatts. Im Ausführungsbeispiel nach der FIG 1 sind beide Plattformen 2a und 2b verstellbar ausgeführt.
Alternativ, je nach Art und Funktion der Turbinenleitschaufel 1, kann nur eine der Plattformen 2a bzw. 2b verstellbar ausgebildet sein.
In einer möglichen Ausführungsform ist die betreffende Plattform 2a oder 2b in radialer (oder auch bezogen auf FIG 1 in vertikaler) Richtung entlang des Pfeils P1 verstellbar angeordnet. Durch Verstellen einer oder beider Plattformen 2a bzw. 2b entlang des Pfeils Pl wird die Anströmfläche des Schaufelblatts 4 in radialer Richtung entlang des Pfeils P2 verkleinert bzw. vergrößert. Je nach Art und Ausbildung werden die beiden Plattformen 2a und 2b symmetrisch und synchron zur Verstellung des Strömungsquerschnitts Qs bewegt.
Alternativ kann die jeweilige Plattform 2a oder 2b separat bewegt werden.
Alternativ oder zusätzlich sind die beiden Plattformen 2a und 2b um eine Drehachse D, insbesondere um die Längsachse der Turbinenleitschaufel 1, verstellbar angeordnet. Hierbei werden die beiden Plattformen 2a und 2b symmetrisch und synchron bewegt. Durch Drehung der Turbinenleitschaufel 1 um die Drehachse D wird das Schaufelblatt 4, welches endseitig an der jeweiligen Plattform 2a bzw. 2b angeordnet ist,
gedreht, so dass sich der Strömungsquerschnitt Qs entlang des Pfeils P3 ändert.
Zur Änderung des Strömungsquerschnitts Qs durch Verstellung der Position mindestens einer der Plattformen 2a und/oder 2b sind diese jeweils mit einer Verstelleinrichtung 6 versehen.
Je nach Turbinenleitschaufelart und-funktion können je Plattform 2a, 2b eine oder mehrere Verstelleinrichtungen 6 vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel nach der FIG 1 sind je Plattform 2a, 2b zwei Verstelleinrichtung 6 vorgesehen.
Die jeweilige Verstelleinrichtung 6 ist als Aktuator, Federelement oder hydraulisches Element ausgebildet. Die Art und der Aufbau der Verstelleinrichtung 6 sind maßgeblich bestimmt von der Form der betreffenden Turbinenleitschaufel 1, insbesondere von deren Plattformen 2a, 2b, und des Schaufelblatts 4. Bevorzugt ist die Verstelleinrichtung 6 in die jeweilige Plattform 2a, 2b integriert.
In einer alternativen Ausführungsform, wie in der FIG 1 gezeigt, ist die jeweilige Plattform 2a, 2b mit einem verstellbar angeordneten u-förmigen Profil 8a bzw. 8b versehen. Das jeweilige u-förmige Profil 8a, 8b, z. B. ein u- förmiger Ring, ist, wie die Plattform 2a, 2b selbst, in radialer Richtung entlang des Pfeils Pl und/oder um die Drehachse D verstellbar, so dass sich der Strömungsquerschnitt Qs entlang der Pfeile P2 bzw. P3 entsprechend ändert.
Die Plattformen 2a und 2b bzw. die zugehörigen u-förmigen Profile 8a bzw. 8b können dabei um die Drehachse in einem Bereich von +/-10° des so genannten Stafflungswinkels ßs gedreht werden. In FIG 2 ist beispielhaft ein Querschnitt durch eine Turbinenleitschaufel 1 mit den diese kennzeichnenden Parametern, wie Stafflungswinkel ßs, minimale Hauptträgheitsachse 4, maximale Hauptträgheitsachse, Richtung der Axialgeschwindigkeit a, Richtung der
Umfangsgeschwindigkeit u, Schubmittelpunkt Q und Schwerpunkt S, dargestellt.
Durch Drehen, insbesondere symmetrisches und synchrones Drehen, der Plattformen 2a und 2b oder der zugehörigen u- förmigen Profile 8a und 8b wird das dazwischenliegende Schaufelblatt 4 ebenfalls um den betreffenden Bereich gedreht, so dass sich der durch die Stellung des Schaufelblattes ergebende Strömungsquerschnitt Qs ändert. In radialer Richtung entlang des Pfeils P1 sind die Plattformen 2a und 2b bzw. die zugehörigen u-förmigen Profile 8a bzw. 8b jeweils in einem Bereich von-2,5 mm bis +2,5 mm gegenüber einer mittleren Grundeinstellung verstellbar, so dass beide verstellbaren Plattformen ihren Abstand zueinander in einer Größenordnung von 0-10 mm verändern können.
Zum Schutz vor heißen Gasen ist bzw. sind die jeweilige Plattform 2a, 2b oder/und das jeweilige Profil 8a, 8b im Bereich einer Aufnahme 10 für das Schaufelblatt 4 mit einem Dichtungselement 12 versehen. Zusätzlich kann die Turbinenleitschaufel 1 im Bereich 14 zwischen der jeweiligen Plattform 2a oder 2b und dem zugehörigen Profil 8a bzw. 8b mit einem Dichtungselement 12 versehen sein. Des Weiteren kann die Turbinenleitschaufel 1, insbesondere die jeweilige Plattform 2a, 2b, mit mindestens einer Öffnung 14 zur Zuführung eines Kühlmediums in einen zwischen der betreffenden Plattform 2a oder 2b und dem zugehörigen Profil 8a bzw. 8b gebildeten Hohlraum H versehen sein. Als Kühlmedium dient beispielsweise kalte Luft.
Die oben beschriebene Turbinenleitschaufel 1 mit einer einstellbaren Anströmfläche durch die Verstellung der Plattformen 2a, 2b und/oder der Profile 8a, 8b in radialer Richtung oder um eine Drehachse eignet sich bevorzugt für stationäre Gasturbinen und deren Einstellung des Schluckvermögens.
Das Schluckvermögen einer Gasturbine wird dabei von dem kleinsten Strömungsquerschnitt Qs bestimmt, welcher im Strömungspfad des Massenstroms der Gasturbine liegt. Der Strömungspfad des Massenstroms ist dabei der Pfad, in dem die angesaugte Luft durch den Verdichter und in dem das zu einem Heißgas verbrannte Brennstoff-Verdichterluft-Gemisch in der Turbine strömt, wobei der kleinste Strömungsquerschnitt des Strömungspfades sich zumeist im Bereich des Turbinenleitschaufelkranzes der ersten Turbinenstufe befindet. Zur Einstellung des Schluckvermögens, mit dem auch der im Verdichter sich aufbauende Druck eingestellt wird, weisen die Turbinenleitschaufeln der ersten Turbinenstufe die Verstellung der Plattformen 2b, 2a auf, so dass die Gasturbine in verschiedenen Betriebsbereich mit optimiertem Wirkungsgrad und optimierter Leistung betrieben werden kann.
Diese Verstellung kann dabei einmalig vor den Betrieb der Gasturbine und/oder auch während des Betriebs vorgenommen werden.
Je nach Auslegung der einzelnen Turbinenstufen und je nach den modifizierten Anforderungen an die Gasturbine ist es auch vorstellbar, zusätzlich oder alternativ die Turbinenleitschaufeln der nachfolgenden Turbinenstufen, insbesondere die der zweiten Turbinenstufe, mit verstellbaren Plattformen auszustatten.
FIG 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Turbinenleitschaufelkranzes bzw. -reihe R mit mehreren radial zu einer Welle angeordneten Turbinenleitschaufeln 1 einer nicht näher dargestellten stationären Gasturbine mit einem Strömungsquerschnitt Qs. Die jeweilige Turbinenleitschaufel 1 ist über die innere Plattform 2b an dem Befestigungsring 16 angeordnet. Die äußere Plattform 2a und die innere Plattform 2b sind jeweils mit dem u-förmigen Profil 8a bzw. 8b versehen. Für eine symmetrische Verstellung aller Turbinenleitschaufeln 1 einer Turbinenleitschaufelreihe R, insbesondere für eine symmetrische Verdrehung der den
Strömungsquerschnitt Qs ändernden u-förmigen Profile 8a und 8b, sind diese jeweils über einen Verstellring 18a bzw. 18b gemeinsam verstellbar. D. h. alle u-förmigen Profile 8a der äußeren d. h. oberen Plattform 2a sind über den gemeinsamen Verstellring 18a und alle u-förmigen Profile 8b der inneren oder innere Plattform 2b sind über den gemeinsamen Verstellring 18b in ihrer Position hinsichtlich der Einstellung des Stafflungswinkels ßs des Schaufelblatts veränderbar. Dabei werden der Verstellring 18a und der Verstellring 18b ebenfalls symmetrisch entlang ihrer Verschieberichtung 19 bewegt.