Gasturbinenanlage

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Moderni sierung einer Gasturbinenanlage. Ferner betrifft die Erfin dung eine Gasturbinenanlage.

Gasturbinenanlagen sind im Stand der Technik in unterschied lichsten Ausgestaltungen bekannt. Sie umfassen eine mit Hit zeschildelementen ausgekleidete Brennkammer und eine stromab wärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufein und Lauf schaufeln umfassende Gasturbine. Diejenigen Hitzeschildele mente, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gas turbine an der Außenseite einer ortsfesten ringförmigen Trag struktur gehalten sind, und an einer ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufein einer ersten Leitschaufeistufe definieren zwischen sich konstruktionsbe dingt einen radial inneren und einen radial äußeren Ring spalt. In diese Ringspalte wird über Kühlluftzuführkanäle, welche die Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe mit Kühlluft versorgen, Kühlluft eingeleitet, um einer Überhit zung insbesondere der Tragstruktur, der Tragstruktur und der dem Ringspalt zugewandten Bereiche besagter Schaufelplattfor men vorzubeugen. Die Einleitung der Kühlluft in den Ringspalt erfolgt meist in axialer Richtung über stirnseitig an den Hitzeschildelementen ausgebildete, gleichmäßig über den Um fang des Ringspalts verteilte Kühlluftöffnungen. Mit anderen Worten wird diejenige Kühlluft, die zum Kühlen der Hitze schildelemente eingesetzt wird, zusätzlich auch zur Kühlung des Ringspalts verwendet.

Es hat sich herausgestellt, dass sich während des Betriebs einer solchen Gasturbinenanlage inhomogene Druckfelder im Be reich der Ringspalte ausbilden, die in erster Linie dadurch verursacht werden, dass sich das aus der Brennkammer in die Gasturbine einströmende Heißgas im Bereich der Anströmkanten der Schaufelblätter der Leitschaufein der ersten Leitschau- felstufe staut. Diese inhomogenen Druckfelder weisen im Be reich der Anströmkanten Druckmaxima auf, die dazu führen, dass das Heißgas im Bereich der Anströmkanten in die Ring spalte eindringt. Vor diesem Hintergrund ist es ferner be kannt, die Tragstruktur mit Kühlluftkanälen zu versehen, die jeweils einen Kühlluftzuführkanal mit einem der Ringspalte fluidtechnisch verbinden und radial einwärts der Anströmkan ten der Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe in den entsprechenden Ringspalt münden. Die durch diese Kühlluft kanäle geleitete Kühlluft tritt somit jeweils im Bereich der Druckmaxima in den entsprechenden Ringspalt ein und erzeugt Kühlluftströme, die ein Eindringen von Heißluft in den Ring spalt im Bereich der Druckmaxima bzw. im Bereich der Anström kanten der Leitschaufein verhindern.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbinenanlage mit alter nativem Aufbau zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Modernisierung einer Gasturbinenanlage, die eine mit Hitzeschildelementen ausgekleidete Brennkammer und eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufein und Laufschaufeln umfassende Gasturbine aufweist, wobei die jenigen Hitzeschildelemente, die in Stromabwärtsrichtung un mittelbar vor der Gasturbine an der Außenseite einer ortsfes ten Tragstruktur gehalten sind, und an einer ortsfesten Trag struktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufein einer ersten Leitschaufeistufe zwischen sich Ringspalte defi nieren, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Aus bauen sämtlicher Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe ; b) Ersetzen der ausgebauten Leitschaufein der ersten Leit schaufelstufe durch neue oder überholte Leitschaufein, wobei Plattformen der neuen oder überholten Leitschaufel mit Kühl luftbohrungen versehen sind, die einen die Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluft- zuführkanal mit einem der Ringspalte fluidtechnisch verbinden und in den entsprechenden Ringspalt münden, und wobei die Kühlluftbohrungen derart angeordnet sind, dass in Bereiche des Ringspaltes oder der Ringspalte, die in radialer Richtung im Bereich von Anströmkanten der Leitschaufein angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen münden als in andere Bereiche des Ringspaltes oder der Ringspalte.

Wird das erfindungsgemäße Modernisierungsverfahren bei Gas turbinenanlagen angewendet, die noch über keine zusätzliche Kühlung in Abschnitten der Ringspalte im Bereich der Anström kanten der Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe bzw. der durch diese verursachten Druckmaxima verfügen, so besteht ein besonderer Vorteil dahingehend, dass zur Erzeugung der Kühlluftbohrungen keine spanenden Arbeiten in situ oder an schwer zu demontierenden Komponenten, wie insbesondere an der Tragstruktur durchgeführt werden müssen, wodurch unnötige Verunreinigungen der Gasturbinenanlage während der Durchfüh rung des Modernisierungsverfahrens verhindert werden. Viel mehr können die Kühlluftbohrungen dank der Tatsache, dass diese an einer oder an beiden Schaufelplattformen der betref fenden Leitschaufein vorgesehen werden, beim Herstellen neuer Leitschaufein bzw. beim Überholen alter Leitschaufein abseits der Gasturbinenanlage gefertigt werden.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren an einer zu modernisie rende Gasturbinenanlage durchgeführt, die bereits sich durch die Tragstruktur erstreckende, jeweils einen der Kühlluftzu- führkanäle mit einem der Ringspalte fluidtechnisch miteinan der verbindende und in den entsprechenden Ringspalt mündende Kühlluftkanäle aufweist, und stimmt die Anzahl der neuen oder überholten Leitschaufein nicht mit der Anzahl der ausgebauten Leitschaufein überein, so werden die sich durch die Trag struktur erstreckenden Kühlluftkanäle nach Durchführung des Schrittes a) und vor Durchführung des Schrittes b) bevorzugt zumindest teilweise verschlossen, wobei insbesondere sämtli che Kühlluftkanäle verschlossen werden. In Fällen, in denen die Anzahl der Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe im Rahmen von Modernisierungsarbeiten verändert, insbesondere verringert werden soll, stimmen die Positionen der Kühlluft- austrittsöffnungen der in der Tragstruktur ausgebildeten Kühlkanäle nicht mehr mit den Positionen der Druckmaxima überein, weshalb ein Eindringen von Heißgas in die Ringspalte im Bereich der Anströmkanten der Leitschaufein nicht mehr sicher verhindert werden kann. Anstatt in der Tragstruktur neue Kühlkanäle an den entsprechenden Positionen zu fertigen, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die zuvor durch diese Kühlkanäle bewirkte Kühlung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig durch eine Kühlung über die Kühlluftbohrungen der in Schritt b) montierten neuen Leitschaufein zu ersetzen. Auf diese Weise wird ebenfalls der Vorteil erzielt, dass spanende Bearbeitungen in situ oder an schwer zu demontierenden Kompo nenten der Gasturbinenanlage vermieden werden.

Bevorzugt definieren die in Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufein ausgebildeten Kühlluftbohrungen umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftboh rungsgruppen, was zu einer Vereinfachung der Fertigung der Leitschaufein führt.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufein mit Filmkühlungs löchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschau feln fluidtechnisch mit einem der Kühlluftzuführkanäle ver bunden sind, und in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der in Schritt b) eingebauten neuen Leit schaufeln sind mit Filmkühlungslöchern versehen, die im ein gebauten Zustand der Leitschaufein fluidtechnisch mit eine der Kühlluftzuführkanäle verbunden sind, wobei die Anzahl der Filmkühlungslöcher der neuen oder überholten Leitschaufein geringer ist als die Anzahl der Filmkühlungslöcher der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufein . Der Kühlluftmassen strom, der durch die Verringerung der Filmkühlungslöcher ein gespart wird, kann dann ganz oder teilweise durch die in den Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufein ausgebildeten Kühlluftbohrungen geleitet werden. Bevorzugt sind an Schaufelplattformen der neuen oder überhol ten Leitschaufein mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche angeordnet, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von dem entsprechenden Kühlluftzuführkanal kom menden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmküh lungslöchern zu gelangen. Mit derartigen Prallblechen wird eine verbesserte Kühlung erzielt.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist je des der Prallbleche derart ausgebildet und angeordnet, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern (16) ein Zwi schenraum verbleibt.

Vorteilhaft sind einige der in den Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufein ausgebildeten Kühlluft bohrungen derart angeordnet, dass sie in den Zwischenraum münden .

Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenan lage, die eine mit Hitzeschildelementen ausgekleidete Brenn kammer und eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufein und Laufschaufeln umfassende Gasturbine auf weist, wobei diejenigen Hitzeschildelemente, die in Stromab- wärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine an der Außensei te einer ortsfesten Tragstruktur gehalten sind, und an einer ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufein einer ersten Leitschaufeistufe zwischen sich Ringspalte definieren, wobei Schaufelplattformen der Leit schaufeln mit Kühlluftbohrungen versehen sind, die jeweils einen die Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluftzuführkanal mit einem der Ring spalte fluidtechnisch verbinden und in den entsprechenden Ringspalt münden.

Bevorzugt münden in Bereiche eines Ringspaltes, die radial einwärts der Anströmkanten der Leitschaufein angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen als in andere Bereiche des Ringspal tes . Vorteilhaft definieren die in den Schaufelplattformen der Leitschaufein der ersten Leitschaufeistufe ausgebildete Kühl- luftbohrungen umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftbohrungsgruppen .

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Kühlluftbohrungen jeder Kühlluftbohrungsgruppe identisch po sitioniert .

Bevorzugt sind in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der Leitschaufein der ersten Leitschau felstufe mit Filmkühlungslöchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschaufein fluidtechnisch mit einem der Kühl luftzuführkanäle verbunden sind.

An den Schaufelplattformen der Leitschaufein der ersten Leit schaufelstufe sind vorteilhaft mit Durchgangslöchern versehe ne Prallbleche angeordnet, die derart ausgebildet und ange ordnet sind, dass diese von der von einem der Kühlluftzuführ kanäle kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern zu gelangen.

Jedes der Prallbleche ist bevorzugt derart ausgebildet und angeordnet, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern ein Zwischenraum vorhanden ist.

Vorteilhaft sind einige der Kühlluftbohrungen derart angeord net, dass einige der Kühlluftbohrungen in den Zwischenraum münden .

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wer den anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Teilberei ches einer Gasturbinenanlage; Figur 2 eine Teilansicht in Richtung der Pfeile II in Figur

1;

Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufel

einer ersten Leitschaufeistufe der in Figur 1 ge zeigten Gasturbinenanlage, bei der ein Prallblech nicht dargestellt ist;

Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer neuen oder über holten Leitschaufei , bei der ein Prallblech nicht dargestellt ist;

Figur 5 eine Schnittansicht entlang der Schnittebene V in

Figur 4; und

Figur 6 eine Ansicht analog zu Figur 4, die eine neue oder überholte Leitschaufel mit alternativen Mustern von Kühlluftbohrungen zeigt.

Die in Figur 1 gezeigte Gasturbinenanlage 1 umfasst eine mit Hitzeschildelementen 2 ausgekleidete Brennkammer 3 und eine stromabwärts der Brennkammer 3 angeordnete, Leitschaufein 4 und Laufschaufeln 5 umfassende Gasturbine 6. Diejenigen Hit zeschildelemente 2, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine 6 an der Außenseite einer ortsfesten Trag struktur 7, 8 gehalten sind, und an der ortsfesten Tragstruk tur 7 einerseits und an einer weiteren ortsfesten Tragstruk tur 10 andererseits gehaltene Schaufelplattformen 11 der Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistufe definieren zwi schen sich Ringspalte 12. In die Ringspalte 12 münden zum einen stirnseitig an den Hitzeschildelementen 2 ausgebildete, sich im Wesentlichen in axialer Richtung A erstreckende, gleichmäßig über den Umfang der Ringspalte 12 in Umfangsrich tung U verteilte Kühlluftöffnungen 13, die Kühlluft über Kühlluftzuführkanäle 14, 15 beziehen. Über diese Kühlluftöff nungen 13 wird der Ringspalt 12 während des Betriebs der Gas turbinenanlage 1 mit Kühlluft gekühlt, die zuvor zur Kühlung der Hitzeschildelemente 2 verwendet wurde. Zum anderen münden in Bereiche der Ringspalte 12, die bezogen auf Anströmkanten 16 der Leitschaufein 4 radial (Richtung R) angeordnet sind, sich ausgehend von dem entsprechenden Kühlluftzuführkanal 14, 15 durch die Tragstrukturen 7 und 8 erstreckende Kühlluft kanäle 17. Diese Kühlluftkanäle 17 dienen dazu, den Eintritt von Heißgas in die Ringspalte 12 aufgrund einer inhomogenen Druckverteilung im Bereich des Ringspalts 12 zu verhindern. Diese inhomogene Druckverteilung wird dadurch verursacht, dass sich das Heißgas beim Eintritt in die Gasturbine 6 an den Anströmkanten 16 der Leitschaufein 4 der ersten Leit schaufelstufe staut, wodurch Druckmaxima im Bereich der An strömkanten 16 erzeugt werden, aufgrund derer das Heißgas in die Ringspalte 12 gedrückt wird. Die Kühlluftströme, die durch die Kühlluftkanäle 17 in die Ringspalte 12 an Positio nen eingeleitet werden, die radial zu den jeweiligen Anström kanten 16 positioniert sind, wirken diesen Druckmaxima effek tiv entgegen. Die vorliegend im Querschnitt U-förmig ausge bildeten, das Schaufelblatt 18 zwischen sich aufnehmenden Schaufelplattformen 11 der in Figur 3 dargestellten Leit schaufel 4, bei der es sich um eine von mehreren identisch ausgebildeten Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistufe handelt, sind an den in radiale Richtung R weisenden Flächen mit einer Vielzahl von Filmkühlungslöchern 19 versehen. An den radial auswärts weisenden Flächen der Schaufelplattformen 11 sind in Figur 3 nicht dargestellte, mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche 20 befestigt, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie von der von den Kühlluftzuführ- kanälen 14, 15 kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern 19 zu gelangen, wobei zwischen einem Prallblech 20 und den Filmkühlungslöchern 19 einer Schaufelplattform 11 jeweils ein Zwischenraum 21 vorhanden ist .

Soll im Rahmen eines erfindungsgemäßen Modernisierungsverfah rens beispielsweise die Anzahl der Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistufe reduziert werden, so müssen die Leitschau feln 4 ausgetauscht werden. Hierzu werden in einem ersten Schritt sämtliche Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistu fe ausgebaut. In einem weiteren Schritt werden die ausgebau ten Leitschaufein 4 der ersten Leitschaufeistufe durch neue Leitschaufein 4 ersetzt. Ein Problem, das damit einhergeht, dass weniger neue Leitschaufein 4 eingebaut werden als zuvor montiert waren, besteht nun darin, dass sich die Positionen der Anströmkanten 16 der Leitschaufein 4 und damit die Posi tionen der Druckmaxima der inhomogenen Druckverteilung verän dern. Somit münden die sich durch die Tragstrukturen 7, 8 er streckenden Kühlluftkanäle 17 ebenfalls nicht mehr an den richtigen Positionen, um einem Eindringen von Heißgas in die Ringspalte 12 im Bereich der Anströmkanten 16 der Leitschau feln 4 effektiv entgegenwirken zu können. Zur Lösung dieses Problems sind die Schaufelplattformen 11 der neuen Leitschau feln 4, von denen eine in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, mit Kühlluftbohrungen 22 versehen, welche die Kühlluft- zuführkanal 14, 15 mit den Ringspalten 12 fluidtechnisch ver binden und in die Ringspalte 12 münden. Diese Kühlluftbohrun gen 22 sind derart angeordnet, dass in Bereiche der Ringspal te 12, die radial in Bezug auf die Anströmkanten 16 der Leit schaufeln 4 angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen 22 münden als in andere Bereiche der Ringspalte 12. Somit übernehmen diese Kühlluftbohrungen 22 die Funktion der Kühlluftkanäle 17. Im vorliegenden Fall sind an jeder Schaufelplattform 11 sechs Kühlluftbohrungen 22 vorgesehen. Drei der Kühlluftboh rungen 22, die mit der axialen Richtung A vorliegend einen Winkel zwischen 5°-10° einschließen, mündet in den Zwi schenraum 21, der zwischen der Schaufelplattform 11 und dem Prallblech 20 vorhanden ist, also in Strömungsrichtung der Kühlluft hinter dem Prallblech 20. Die anderen drei Kühlluft bohrungen 22 schließen mit der axialen Richtung vorliegend einen Winkel ß im Bereich zwischen 15°-28° ein und münden in Strömungsrichtung der Kühlluft vor dem Prallblech 20. Grund sätzlich können die die Winkel und ß abhängig von der Kon struktion der Leitschaufel Werte im Bereich zwischen 0° und 30° aufweisen. Ferner sind die neuen Leitschaufein 4 mit Filmkühlungslöchern 19 versehen, wobei jedoch deren Anzahl geringer als die Anzahl der Filmkühllöcher 19 der ausgebauten Leitschaufein 4 ist. Vorliegend weisen die neuen Leitschau feln 4 weniger Filmkühlungslöcher 19 als die alten Leitschau feln 4 auf, wie es aus dem Vergleich der Figuren 3 und 4 her vorgeht. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil der zuvor für die Filmkühlung verwendeten Kühlluft nunmehr für die Kühlung der Ringspalte 12 zur Verfügung steht, so dass der Gesamt- kühlluftstrom aufgrund der zusätzlichen Kühlluftbohrungen 22 nicht beeinträchtigt wird. Die sich durch die Tragstrukturen 7 und 8 erstreckenden Kühlluftkanäle 17 können belassen wer den. Alternativ können sie aber vor der Montage der neuen Leitschaufein 4 auch verschlossen werden.

Ein wesentlicher Vorteil, der mit dem Design der neuen Leit schaufeln 4 einhergeht, besteht darin, dass keine neuen Kühl luftkanäle 17 in die Tragstrukturen 7, 8 eingebracht werden müssen, um die Kühlluftzufuhr in die Ringspalte 12 an die sich verändernden Positionen der Anströmkanten 16 der Leit schaufeln 4 und damit der Druckmaxima anzupassen. Entspre chend müssen keine spanenden Bearbeitungen in situ oder an schwer zu demontierenden Komponenten der Gasturbinenanlage 1 durchgeführt werden. Vielmehr können die Kühlluftbohrungen 22 direkt bei der Herstellung der neuen Leitschaufein 4 gefer tigt werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass sich das zuvor beschriebene Verfahren auch bei solchen Gasturbinenanlagen 1 durchführen lässt, die keine Kühlluftkanäle 17 aufweisen, die einem Ein dringen von Heißgas in die Ringspalte 12 im Bereich der An strömkanten 16 der Leitschaufein 4 entgegenwirken. Entspre chend wird durch den Einbau der neuen Leitschaufein 4 erst malig eine entsprechende Gegenmaßnahme gegen eindringende Heißluft aufgrund inhomogener Druckverteilung bereitgestellt, und zwar unabhängig davon, ob die Anzahl neuer oder überhol ter Leitschaufein 4 kleiner als, gleich der oder größer als die Anzahl der vorhandenen Leitschaufein 4 der zu modernisie renden Gasturbinenanlage 1 ist. Ferner sollte klar sein, dass die Positionen, die Ausrichtungen und die Anzahl der Kühl luftbohrungen 22 der neuen Leitschaufein 4 variieren kann. So zeigt Figur 6 beispielhaft ein alternatives Muster von in einen Ringspalt 12 radial einer Anströmkante 13 mündenden Kühlluftbohrungen 22. Zudem sei darauf hingewiesen, dass die neuen oder überholten Leitschaufein 4 auch nur an einer ihrer Schaufelplattformen 11 mit Kühlluftbohrungen 21 versehen sei en können, so dass durch die Leitschaufein 4 nur Kühlluft in einen der beiden Ringspalte 12 geleitet wird.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .