Beschreibung Kühlluftverteilung in einer Turbinenstufe einer Gasturbine Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer ersten Stufe einer Gasturbine mit einer ersten Leitschaufel und einer ersten Laufschaufel mittels Luft mit einer ersten Kühlluftzuführung an der zu kühlenden Leitschaufel. Die Kühl- luftzuführung weist dabei eine erste Kühlluftversorgung auf, die einen ersten Druck hat.

Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei einer Gasturbine wird zum einen versucht, möglichst hohe Gaseintrittstempera- turen zu erzielen und zum anderen die zur Kühlung notwendige Kühlluft für Leitschaufeln und Laufschaufeln einer Stufe we- gen des dadurch verursachten Wirkungsgradverlustes so gering wie möglich zu halten. Leit-und Laufschaufeln sind jeweils in einem entsprechenden Schaufelkranz angeordnet.

Die Turbinenleitschaufeln werden stufenweise mit Kühlluft versorgt, wobei die Kühlluft von verschiedenen Entnahmen aus dem Verdichter der Gasturbine entstammen. Dies ist beispiels- weise in der Firmenbroschüre"Die 3A-Gasturbinen-Familie von Siemens", Siemens Aktiengesellschaft, Bestell-Nr. A96001-U10- A281, Februar 1995, beschrieben. Zur Kühlung der Stufe und insbesondere der Turbinenleitschaufel wird daher ein bestimm- tes Druckgefälle vorausgesetzt, welches den notwendigen Druck der jeweiligen Entnahme bestimmt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlluftmenge für eine Turbinenstufe und insbesondere für einen Leitschau- felkranz gering zu halten, um einen hohen Wirkungsgrad der Gasturbine zu erreichen.

Diese Aufgabe wird mit einer Kühlvorrichtung mit den Merkma- len des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und

Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen an- gegeben.

Die neue Kühlvorrichtung zur Kühlung einer ersten Stufe einer Gasturbine mit einem ersten Leitschaufelkranz und einem er- sten Laufschaufelkranz mittels Luft mit einer ersten Kühl- luftzuführung an dem zu kühlenden Leitschaufelkranz, wobei die Kühlluftzuführung eine erste Kühlluftversorgung mit einem ersten Druck aufweist, weist erfindungsgemäß eine zweite Kühlluftzuführung zur Kühlung der ersten Stufe stromabwärts von der ersten Kühlluftzuführung auf, wobei die zweite Kühl- luftzuführung mit einem zweiten Druck versorgt wird, der ge- ringer als der erste Druck ist. Aus dieser Ausgestaltung der Kühlvorrichtung folgt, daß nun eine Stufe unterschiedliche Kühlluftbereiche aufweist. Dadurch gelingt es, daß nur dort ein erhöhtes Druckgefälle der Kühlluft vorliegt, wo es in der Stufe benötigt wird, nämlich insbesondere im Bereich des Kühllufteintritts in die Turbinenleitschaufel. In den anderen Bereichen, in denen die Kühlluft hauptsachlich in der Funk- tion von Sperrluft eingesetzt wird, wird nun nicht mehr ein hohes Druckgefälle erzeugt. Vielmehr ermöglicht die zweite Kühlluftzuführung mit dem geringeren zweiten Druck eine aus- reichende Kühlung mit geringerem Leckageluftmassenstrom. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbine ge- genüber einer Kühlluftversorgung, bei der die erste Turbi- nenstufe nach der Brennkammer vom Eintritt Turbinenleitschau- fel Nr. 1 bis hintere Verhakung Führungsring vollständig mit Verdichterendluft betrieben wird und die nachfolgende zweite Turbinenstufe vom Eintritt Turbinenleitschaufel Nr. 2 bis vordere Verhakung Turbinenleitschaufel Nr. 3 mit Luft aus der Entnahme Nr. 3 des Verdichters gekühlt wird. Hierbei liegt bei beiden Stufen nämlich jeweils der Kühllufteintritt strom- aufwärts der Leitschaufel, d. h. bei dem noch nicht über die Stufe abgebauten, hohen Druck.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die zweite Kühlluftzuführung nach einem Drittel, insbesondere

nach der Hälfte der axialen Lange, d. h. in Richtung der Rota- tionsachse der Gasturbine gesehen, des Leitschaufelkranzes an diesem angeordnet ist. Die stromaufwärtigen, besonders stark temperaturbelasteten Bereiche der Leitschaufeln werden über die erste Kühlluftzuführung entsprechend dem aus der ersten Kühlluftversorgung stammenden Massenstrom genügend gekühlt, so daß stromabwärtige Bereiche ohne Funktionsbeeinträchtigung über die zweite Kühlluftzuführung mit niedrigerem Druck aus- reichend gekühlt werden. Die zweite Kühlluftzuführung weist dazu vorteilhafterweise eine zweite Kühlluftversorgung auf, die von der ersten Kühlluftversorgung getrennt ist. Bei- spielsweise sind die erste und die zweite Kühlluftversorgung jeweils unterschiedliche Entnahmestellen aus dem Gasturbinen- verdichter.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Kühlluftzuführung über einen Druckminderer mit der ersten Kühlluftversorgung verbunden. Der Druckminderer sorgt dafür, daß der Kühlluftmassenstrom der zweiten Kühlluftzufüh- rung möglichst gering aber wohldosiert ist. Zweckmäßig ist es daher, den Druckminderer regelbar auszuführen. Dieses ermög- licht vor allem auch, daß der zweite Druck gerade noch einen derartigen Wert aufweist, daß die über die zweite Kühlluft- versorgung zugeführte Luft noch als Sperrluft wirkt. Durch diese nur äußerst geringe vorliegende Druckdifferenz der Kühlluft gegenüber dem Heißgasdruck im Inneren der Gasturbine fällt daher der eingesetzte Kühlluftmassenstrom sowie der da- mit verbundene Wirkungsgradverlust ebenfalls gering aus. Als Druckdifferenz sind dabei Werte von 2 bar, insbesondere Werte um 1 bar oder noch weniger einstellbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dient die zwei- te Kühlluftzuführung der ersten Stufe auch als eine erste Kühlluftzuführung für eine der ersten Stufe stromabwärts fol- gende zweiten Stufe. Bevorzugt wird dabei diese Kühlluftzu- führung für die Kühlung eines Leitschaufelkranzes der zweiten Stufe eingesetzt. Einerseits gelingt es dadurch, die Anzahl

der notwendigen Entnahmen und damit den Konstruktionsaufwand gering zu halten. Andererseits läßt sich durch Verminderung der Druckdifferenz der notwendige Kühlluftmassenstrom wie- derum gering halten.

Eine Ausgestaltung, welche insbesondere für eine Gasturbine mit einer Ringbrennkammer günstig ist, weist eine Leitschau- fel mit einer ersten Kammer für die erste Kühlluftversorgung und einer zweiten Kammer für die zweite Kühlluftversorgung auf, die beide benachbart sind und an einen Träger für die Leitschaufel angrenzen. Die erste und die zweite Kammer wer- den dabei vorteilhafterweise durch eine Wand voneinander ge- trennt, wobei die Wand in den Leitschaufelträger und die Leitschaufel eingesetzt ist. Dazu sind vorzugsweise im Leit- schaufelträger Nuten eingedreht sowie beim Gießen der Leit- schaufel an diese ein Wulst mitangegossen. Zwischen den Kam- mern ist vorzugsweise ein axiales Sperrblech als Wand ein- setzbar, welches auch nachträglich einbaubar ist und eine einzige vorhandene Kammer dann in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Merkmale der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbei- spiels in der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsge- mäßen Kühlung einer Gasturbine und Fig. 2 ein Diagramm mit einem Vergleich des Druckverlaufes mit Darstellung des bisher im Stand der Technik verwendeten Druckgefälles und eines erfindungsge- mäßen gestuften Druckgefälles.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Ausschnittes einer Gasturbine 1 in einem Längsschnitt. Dargestellt sind eine erste Stufe 2 mit einem ersten Leitschaufelkranz 3 und

einem ersten Laufschaufelkranz 4, eine zweite Stufe 5 mit ei- nem zweiten Leitschaufelkranz 6 sowie einer dritten Stufe 7 mit einem dritten Leitschaufelkranz 8. Bei der zweiten Stufe 5 und der dritten Stufe 7 sind die jeweiligen Laufschaufeln nicht dargestellt. An der ersten Leitschaufel 3 befinden sich eine erste Kammer 9 sowie eine zweite Kammer 10. Zwischen diesen beiden Kammern 9,10 ist eine Wand 11 angeordnet, die in die Leitschaufel 3 bzw. einen Leitschaufelträger 12 einge- setzt wird. Über eine erste Kühlluftversorgung 13 wird die erste Kammer 9 mit einem ersten Kühlluftmassenstrom 14 ver- sorgt, welcher als Pfeil dargestellt ist. Der erste Kühlluft- massenstrom 14 folgt dabei dem Weg, der ihm durch die erste Kühlluftzuführung 15 vorgegeben ist, bis in die erste Stufe 2 hinein. Die erste Kühlluftzuführung 15 weist in diesem Bei- spiel auch Strömungskanäle in der ersten Leitschaufel 3 selbst auf. Die zweite Kammer 10 wird aus einer zweiten Kühl- luftversorgung 16 mittels der zweiten Kühlluftzuführung 17 mit einem zweiten Kühlluftmassenstrom 18 versorgt. Der erste Kühlluftmassenstrom 14 weist einen höheren Druck auf als der zweite Kühlluftmassenstrom 18. Die erste Kühlluftversorgung 13 wird mit Verdichterendluft betrieben, die zweite Kühlluft- versorgung 16 dagegen mit Verdichterluft aus einer Entnahme aus dem nicht dargestellten Verdichter. Auf diese Weise wird die erste Leitschaufel 3 mit zwei unterschiedlichen Drücken beaufschlagt und gekühlt. Die verwendeten Drücke sind dabei so ausgelegt, daß eine Funktion der jeweiligen Kühlluft als Sperrluft jederzeit gewährleistet ist. Die der ersten Leit- schaufel 3 nachfolgende Laufschaufel 4 wird ebenfalls ge- kühlt, wobei der dafür verwendete dritte Kühlluftmassenstrom 19 vorteilhafterweise auch aus der zweiten Kühlluftversorgung 16 stammt.

In Fig. 1 ist weiterhin die zweite Stufe 5 mit der zweiten Leitschaufel 6 dargestellt. Auch hier wird die Leitschaufel 6 jeweils mit unterschiedlichen Kühlluftmassenströmen beauf- schlagt, was durch die Pfeile angedeutet ist. Die Kühlluft- massenströme durchqueren dabei ebenfalls jeweils eine Kammer.

Die beiden Kammern sind wiederum durch eine Wand 11 voneinan- der getrennt. Die Wand 11 ist vorteilhafterweise so angeord- net, daß sie etwa auf der Hälfte der axialen Länge L der Leitschaufel 6 angeordnet ist. Zwischen der ersten Kühl- luftzuführung 15 und der zweiten Kühlluftzuführung 17 der zweiten Leitschaufel 6 ist weiterhin ein Druckminderer 20 an- geordnet. Über diesen ist es möglich, daß aus der ersten Kühlluftzuführung 15 ein Kühlluftmassenstrom in die zweite Kühlluftzuführung 17 überströmt. Der durch die zweite Kühl- luftzuführung 17 strömende Kühlluftmassentrom versorgt daher nicht nur die zweite Leitschaufel 6 sondern dient ebenfalls zur Kühlung der nachfolgenden dritten Leitschaufel 8 der dritten Stufe 7. Der entsprechende vierte Kühlluftmassenstrom 21 zur Kühlung der dritten Leitschaufel 8 ist wiederum als Pfeil angedeutet. Durch diese Aufgliederung der Kühlluftzu- führung über die Stufe und insbesondere über die Leitschau- feln läßt sich somit der verwendete Kühlluftmassenstrom ver- ringern, genauso wie das notwendige Druckgefälle absenken.

Dieses wird im folgenden näher erläutert.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm den Druckverlauf 22 in einer Gasturbine. Auf der Y-Achse ist der Druck aufgetragen, auf der X-Achse der Ort, an dem sich der jeweilige Druck in der Gasturbine befindet. Der Nullpunkt des Diagrammes fällt mit dem Turbineneintritt zusammen. Dann folgt die Turbinenleit- schaufel, abgekürzt TLE, anschließend die Turbinenlaufschau- fel, abgekürzt TLA, jeweils gekennzeichnet mit der eine Stufe charakterisierenden Ziffer. Die mit dem Bezugszeichen 23 ge- kennzeichnete Druckhöhe stellt den Verdichterenddruck dar, der gleichzeitig denjenigen Kühlluftmassenstromdruck dar- stellt, welcher im Turbineneintritt verwendet wird. Das ver- gleichsweise herangezogene Kühlkonzept sieht eine Ver- dichterenddruckverwendung bis nach der Laufschaufel 1 (TLA1) vor. Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept wird nach der Hälfte der axialen Länge 2 der Leitschaufel TLE1 ein Kühlluftmassen- strom mit einem anderen, niedrigerem Druck verwendet. Dieses entspricht dem Druckwert entsprechend dem Bezugszeichen 24.

In bezug zur Fig. 1 wird also der erste Kühlluftmassenstrom 14 mit dem Verdichterenddruck 23 als erstem Druck und der zweite Kühlluftmassenstrom 18 mit dem Druckwert 24 als zwei- tem Druck geliefert. ? Das von links oben nach rechts unten ge- strichelt markierte Karree 25 im Diagramm kennzeichnet die- jenige Einsparung, die sich aufgrund des gegenüber dem Stand der Technik geänderten (eingesparten) Druckgefälles ergibt.

Das von links unten nach rechts oben gestrichelt markierte Karree 26 stellt das zusätzliche Druckgefälle dar, welches sich aufgrund der geänderten Zuführung von Kühlluft ergibt.

Der Gewinn an Druckgefälle ergibt sich daher aus der Diffe- renz der Flächen der von links oben nach rechts unten gestri- chelt markierten Karrees 25 zu den Flächen der von links un- ten nach rechts oben gestrichelt markierten Karrees 26. Der zwischen dem Druckverlauf 22 in der Gasturbine 1 und den je- weiligen Untergrenzen der Karrees 25,26 verbleibende Druck dient dabei als Sperrdruck. Der Sperrdruck ist der bei der Kühlluftzuführung herrschende Überdruck gegenüber dem in der Gasturbine 1 herrschenden Druck 22. Das dafür sich ergebende Druckgefälle ist gegenüber dem Stand der Technik deutlich ge- ringer. Für die der ersten Stufe 2 nachfolgenden Stufen 5,7 ergibt sich entsprechendes, was durch weitere Karrees 25,26 angedeutet ist. Die mit schrägen Strichen gekennzeichnete Fläche oberhalb des Druckverlaufes 22 in der Turbine bezeich- net das gegenüber dem Verdichterenddruck 23 eingesparte Druckgefälle gegenüber dem jeweiligen Druckverlauf 22 in der Gasturbine 1. Entsprechend dem Konzept, nun zwei verschiedene Drücke über der Leitschaufel 3 zu verwenden, ergibt sich au- ßerdem als Vorteil, daß der hintere Teil der Leitschaufel 3 und der entsprechende Führungsring mit kälterer Luft gekühlt wird als der vordere Teil, der mit Luft unter höherem Druck gekühlt wird.

Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, die Aufwendungen für die Kühlung der Stufen einer Gasturbine erheblich zu ver- mindern und trägt damit dazu bei, den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen.