DE10330471A1

DE10330471A1 - Vorrichtung zum Abscheiden von Fremdpartikeln aus der den Laufschaufeln einer Turbine zuführbaren Kühlluft

Info

Publication number: DE10330471A1
Application number: DE10330471A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried; Bernhard Prof. Dr. Weigand
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-07-05
Filing date: 2003-07-05
Publication date: 2005-02-03
Also published as: US20050002778A1; EP1503046A3; US7137777B2; EP1503046A2

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Abscheiden von Fremdpartikeln aus der den Laufschaufeln (4) einer Turbine zuführbaren Kühlluft, insbesondere für eine Gasturbinenanordnung, bei der die Kühlluft mittel- oder unmittelbar über stationäre Düseneinheiten (7) einem zwischen Wandteilen eines Turbinenstators (1) und einer rotierenden Radscheibe (3) ausgebildeten Ringraum (8) als in Umfangsrichtung gerichtete Kühlluftströmung zuführbar ist und der Ringraum (8) mit in der Radscheibe (3) angeordneten Kanälen (6) für die Zufuhr der Kühlluft in die Laufschaufeln (4) in Verbindung steht, wobei innerhalb des Ringraumes (8) oder den Ringraum (8) einseitig begrenzend eine Umlenkeinheit (9) vorgesehen ist, mit der die aus den Düseneinheiten (7) austretende Kühlluft vor dem Eintritt in die Kanäle (6) einseitig so umlenkbar ist, dass Fremdpartikel in einen radial äußeren Teil des Ringraumes (8) abgeschleudert und zusammen mit einem Sperrluftanteil der zugeführten Kühlluft aus dem Ringraum (8) abgeschieden werden. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Umlenkeinheit (9) einen Flächenbereich (11) aufweist, auf den die durch die Düseneinheit (7) hindurchtretende Kühlluftströmung auftrifft, durch die die Kühlluftströmung um einen Winkel alpha größer 90 DEG radial nach außen ablenkbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abscheiden von Fremdpartikeln aus der den Laufschaufeln einer Turbine zuführbaren Kühlluft, insbesondere für eine Gasturbinenanordnung, bei der die Kühlluft mittel oder unmittelbar über stationäre Düseneinheiten einem zwischen Wandteilen eines Turbinenstators und einer rotierenden Radscheibe ausgebildeten Ringraum als in Umfangsrichtung gerichtete Kühlluftströmung zuführbar ist, wobei der Ringraum mit in der Radscheibe angeordneten Kanälen für die Zufuhr der Kühlluft in die Laufschaufeln in Verbindung steht, und innerhalb des Ringraumes oder den Ringraum einseitig begrenzend eine Umlenkeinheit vorgesehen ist, mit der die aus den Düseneinheiten austretende Kühlluft vor dem Eintritt in die Kanäle einseitig so umlenkbar ist, dass Fremdpartikel in einen radial äußeren Teil des Ringraums abgeschleudert und zusammen mit einem Sperrluftanteil der zugeführten Kühlluft aus dem Ringraum abgeschieden werden.

Eine gattungsgemäße Abscheidevorrichtung für Fremdpartikel aus einem Kühlluftstrom, der zu Kühlzwecken einer Turbinenlaufschaufel, vorzugsweise einer Gasturbinenanlage, zugeführt wird, ist der EP 0 690 202 B1 zu entnehmen. In dem bekannten Fall wird Kühlluft über stationäre Dralldüsen einem zwischen Wandteilen des Turbinenstators und einer Laufradscheibe begrenzten Ringraum zur Ausbildung einer sich in Umfangsrichtung innerhalb des Ringraumes ausbreitenden Wirbelströmung zugeführt. Die Dralldüsen weisen jeweils eine tangentiale Ausrichtung in Umfangsrichtung ihrer Anordnung innerhalb des Turbinenstators auf, wobei die einzelnen Düsenachsen in der jeweiligen Tangentialebene schräg zur Rotationsachse der Rotoranordnung zur Ausbildung einer Drallströmung innerhalb des Ringraumes, angestellt sind.

Unmittelbar den Dralldüsen in Strömungsrichtung innerhalb des Ringraumes nachgeordnet ist ein im Querschnitt L-förmig ausgebildetes Umlenkblech vorgesehen, auf dessen vorzugsweise radial zur Rotoranordnung gerichteten, längeren Längsschenkel die Kühlluft nach Austritt aus den Dralldüsen senkrecht auftritt und radial nach außen abgelenkt wird. Konstruktionsbedingt sieht das Umlenkblech in Bezug auf die Austrittsöffnung der Dralldüsen radial innenliegend einen Strömungstotraum vor, in dem unvermeidbar eine Fremdpartikelansammlung erfolgt, vorzugsweise durch Ansammlung schwerer bzw. größerer Fremdpartikel. Derartige Ablagerungen auf der Oberfläche des radial innenliegenden, kürzeren L-Schenkels führen zu einer nicht zu unterschätzenden Verschmutzungsgefahr der sich im Ringraum ausbildenden Kühlluftströmung, der jedoch ganz offensichtlich in der vorstehend genannten Druckschrift keinerlei weitere Beachtung geschenkt wird.

Überdies geht aus der gleichen Druckschrift ein weiteres Ausführungsbeispiel hervor, bei dem ein im Querschnitt spitzwinklig geformtes L-Formteil als Umlenkblech verwendet wird, wobei die aus den Dralldüsen austretende Kühlluftströmung unter einem Winkel auf den länger dimensionierten L-Schenkel des Umlenkbleches auftrifft, unter dem die Kühlluftströmung wenigstens teilweise radial nach innen abgelenkt wird. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass die vorstehend beschriebene Fremdpartikelablagerung sogar verstärkt verglichen zu dem vorstehend beschriebenen Fall auftritt.

Eine weitere Vorrichtung zur Staubpartikelentfernung für die Kühlluft einer Gasturbine ist der EP 1 174 589 A1 zu entnehmen. Gleichsam im vorstehend geschilderten Fall grenzen Wandteile der sich axial gegenüber stehenden Leit- und Laufschaufel einer Rotoranordnung eine Art Ringraum ein, in den eine Kühlluftströmung als Drallströmung eingebracht wird. Die Fremdpartikelseparation erfolgt derart, dass die aus einer ersten Düsenöffnung austretende Kühlluft auf eine Art Umlenkeinheit auftrifft, durch die die Kühlluftströmung in einen radial nach außen und in einen radial nach innen gerichteten Teilluftstrom aufgeteilt wird. Durch Vorsehen bestimmter Strömungskulissen wird der radial nach außen gerichtete Teilluftstrom, der mit Fremdpartikeln angereichert ist, radial nach außen in den Heissgasstrom der Gasturbine geleitet. Die Fremdpartikelanreicherung im radial nach außen gerichteten Teilluftstrom rührt von der auf die Fremdpartikel einwirkende Zentrifugalkraft her, die sich durch die in Umfangsrichtung ausbreitende Drallströmung nach Durchtritt durch die Dralldüsenöffnungen ausbildet. Zwar ist es möglich, verhältnismäßig massereiche Fremdpartikel mit der in dieser Druckschrift beschriebenen Separationsmethode abzuscheiden, doch kann nicht ausgeschlossen werden, dass leichte und kleinere Staub- oder Fremdpartikel von dem radial nach innen gerichteten Kühlluftstrom zur weiteren Kühlung der Turbinenlaufschaufel mitgeführt werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Abscheiden von Fremdpartikeln aus der den Laufschaufeln einer Turbine zuführbaren Kühlluft nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart auszubilden, dass es mit möglichst technisch einfachen und kostengünstigen Maßnahmen möglich wird, die in die Turbinenlaufschaufeln einströmende Kühlluft vorzugsweise vollständig aber wenigstens weitgehend von Fremdstoffpartikeln zu befreien.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 sowie 17 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Abscheidung von Fremdpartikeln aus der den Laufschaufeln einer Turbine zuführbaren Kühlluft, insbesondere für eine Gasturbinenanordnung, bei der die Kühlluft mittel- oder unmittelbar über stationäre Düseneinheiten einem zwischen Wandteilen des Turbinenstators und einer rotierenden Radscheibe ausgebildeten Ringraum als in Umfangsrichtung gerichtete Kühlluftströmung zuführbar ist und der Ringraum mit in der Radscheibe angeordneten Kanälen für die Zufuhr der Kühlluft in die Laufschaufeln in Verbindung steht, wobei innerhalb des Ringraumes oder den Ringraum einseitig begrenzend eine Umlenkeinheit vorgesehen ist, mit der die aus den Düseneinheiten austretende Kühlluft vor dem Eintritt in die Kanäle einseitig so umlenkbar ist, dass Fremdpartikel in einen radial äußeren Teil des Ringraumes abgeschleudert und zusammen mit einem Sperrluftanteil der zugeführten Kühlluft aus dem Ringraum abgeschieden werden, derart weitergebildet, dass die Umlenkeinheit einen Flächenbereich aufweist, auf den die durch die Düseneinheit hindurchtretende Kühlluftströmung auftrifft, durch die die Kühlluftströmung um einen Winkel α > 90° radial nach außen ablenkbar ist.

Mit dieser erfindungsgemäßen Vorkehrung ist gewährleistet, dass gemeinsam mit der gesamten Kühlluft jegliche innerhalb des Kühlluftstromes enthaltenen Fremdpartikel radial nach außen umgelenkt werden und somit keine Ablagerungen in einem radial innen liegenden Bereich entstehen können.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Konzeptes zur optimierten Fremdpartikelseparation aus dem Kühlluftstrom sieht eine erste Lösungsvariante eine fest mit der Turbinenstatoreinheit verbundene Umlenkeinheit vor, bei der die aus den als Dralldüsen ausgebildeten Düseneinheiten austretende Kühlluftströmung eine die Radialrichtung der Rotoranordnung senkrecht schneidende Strömungsrichtung aufweist – obgleich die Kanallängsachsen der einzelnen Düseneinheiten zur Einprägung einer in Umfangsrichtung innerhalb des Ringraumes umlaufenden Drallströmung gegenüber der Rotorachse geneigt angeordnet sind –. Im Unterschied zu der in der eingangs zitierten EP 0 690 202 B1 dargestellten Umlenkeinheit weist die erfindungsgemäß ausgebildete Umlenkeinheit einen der aus den Düseneinheiten austretenden Kühlluftströmung zugewandten Flächenbereich auf, dessen Neigung relativ zur Radialrichtung der Rotoranordnung derart gewählt ist, dass eine gesamtheitliche radial nach außen gerichtete Umlenkung der Kühlluftströmung erfolgt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Umlenkeinheit sieht eine der Düseneinheiten zugewandte konkav ausgebildete Flächenkontur vor, deren Flächenkrümmung zumindest im Bereich des Flächenbereiches, auf den die Kühlluftströmung unmittelbar auftrifft, durch Tangentialebenen beschreibbar ist, die mit der axialwärts gerichteten Strömungskomponente der aus den Düseneinheiten austretenden Kühlluftströmung einen Winkel α von > 90° einschließen. Zur weiteren radial nach außen gerichteten Kühlströmungsführung weist die Umlenkeinheit eine im Ringraum frei endende Kontur auf, die für die radial nach außen umgelenkte Kühlluftströmung als Strömungsabrisskontur dient, so dass die mit Fremdpartikeln versetzte Kühlluft unmittelbar und ohne weitere Strömungshindernisse zur radial außen liegenden Labyrinthdichtung gelangt, durch die die mit Fremdpartikeln durchsetzte Kühlluft in den Heissgasstrom bzw. Arbeitsstrom der Gasturbinenanlage eintritt.

Eine Separation einer von Fremdpartikeln nahezu vollständig gereinigten Kühlluft erfolgt in an sich bekannter Weise durch Vorsehen einer Durchtrittsöffnung zwischen der als Abrisskontur frei endenden Kontur der Umlenkeinheit und einem Steg der Radscheibe, wie im einzelnen auch aus den im weiteren dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen ist.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Umlenkeinheit zeichnet sich somit durch die spezielle Ausbildung des den Düseneinheiten zugewandten Flächenbereiches aus, der im einfachsten Fall durch einen geradlinig, in der vorstehenden Weise beschriebenen geneigten Flächenabschnitt auszeichnet. Zur optimierten Strömungsführung haben sich jedoch kontinuierlich gekrümmte konkav ausgebildete Flächenkrümmungen erwiesen, durch die Strömungsverluste, bedingt durch lokal auftretende Staueffekte innerhalb der Strömungsführung, reduzierbar sind.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, die Kanallängsachse der Düseneinheiten radialwärts geneigt anzuordnen, so dass die bereits aus den Düseneinheiten austretende Kühlluftströmung eine radial nach außen gerichtete Strömungskomponente aufweist. Auch in diesem Fall ist der Flächenbereich der Umlenkeinheit, auf den die Kühlluftströmung auftrifft, parallel oder geneigt zur Radialrichtung derart zu orientieren, so dass die Kanallängsachse mit dem Flächenbereich einen radial nach außen geöffneten Winkel α > 90° einschließt.

Die beiden vorstehend geschilderten Lösungsvarianten sehen eine fest mit der Turbinenstatoreinheit verbundene Umlenkeinheit vor, ebenso bietet es sich jedoch an, die Umlenkeinheit fest mit der rotierenden Radscheibe zu verbinden, so dass die Umlenkeinheit relativ zu den stationär im Turbinenstator angebrachten Düseneinheiten rotiert. Für die Anordnung der Umlenkeinheit an der rotierenden Radscheibe bietet sich vorteilhafter Weise der radial außen liegende Steg der Radscheibe an, der mit einer entsprechenden Gegenkontur des Turbinenstators die radial außen liegende Labyrinthdichtung bildet. Die Umlenkeinheit selbst ist in diesem Fall als Ringelement ausgebildet und sieht in ihrem radial außen liegenden Bereich, in Umfangsrichtung vorzugsweise gleich verteilt eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen vor, die dem Abzweig von Fremdpartikeln bereinigter Kühlluft dienen zur Weiterleitung in die Kühlkanäle der Radscheibe und der damit verbundenen Turbinenlaufschaufel.

Gleichsam der stationär mit dem Turbinenstator verbundenen Umlenkeinheit sieht auch die mit der rotierenden Radscheibe verbundene Umlenkeinheit einen, unmittelbar der Kühlluftströmung aus den Düseneinheiten ausgesetzten Flächenbereich vor, durch den die aus den Düseneinheiten austretende Kühlluftströmung um einen Winkel α > 90° radial nach außen ablenkbar ist.

Je nach Anordnung der Kanallängsachsen der einzelnen Düseneinheiten, die wie im vorstehend geschilderten Fall senkrecht oder geneigt zur Radialrichtung angeordnet sein können, ist es überdies möglich, eine in Umfangsrichtung innerhalb des Ringraumes sich ausbreitende Drallströmung zu erzeugen, wenngleich die einzelnen Kanallängsachsen der Düseneinheiten koparallel zur Rotorachse oder aber deren Projektion zur Rotorachse koparallel verlaufen. Ermöglicht wird dies durch radial orientierte, an der Umlenkeinheit angebrachte Rippen, die den Düseneinheiten zugewandt, vorzugsweise äquidistant zueinander längs der Umlenkeinheit angebracht sind. Durch die Rotation der Umlenkeinheit und den mit dieser verbundenen Rippen werden zumindest Teile der in den Ringraum durch die Düseneinheiten einströmenden Kühlluft in Rotationsrichtung durch die in den Ringraum hineinragenden Rippenflanken mitgeführt und auf diese Weise ein in Umfangsrichtung innerhalb des Ringraumes orientierte Kühlluftströmung induziert.

Weitere Einzelheiten hierzu sind den entsprechenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.

Ein zweiter Lösungsvorschlag zur Verbesserung der Fremdpartikelabscheidung aus der den Laufschaufeln einer Turbine zuführbaren Kühlluft sieht eine konkrete Verbesserung der in der EP 1 174 589 A1 beschriebenen Vorrichtung zur Fremd- bzw. Staubpartikelentfernung bei der Kühlluft einer Gasturbine vor. Im Unterschied zum vorstehend geschilderten Fall schließt die Umlenkeinheit gemeinsam mit Wandteilen der Turbinenstatoreinheit eine Art Ringkammer im Sinne einer Trennkammer ein, in der die Staub- bzw. Fremdpartikel aus der zu Kühlzwecken der Turbinenlaufschaufel zugeführten Kühlluft getrennt werden. Hierbei strömt über eine Düseneinheit die von einer Kompressoreinheit herrührende Kühlluft in die Ringkammer ein, wobei erfindungsgemäß die Düseneinheiten jeweils einen Düsenkanal mit einer die Strömungsrichtung der Kühlluftströmung bestimmenden Kanallängsachse vorsehen, die derart radialwärts geneigt ist, dass die den Düsenkanal passierende Kühlluftströmung radialwärts nach außen gerichtet ist. Die Ringkammer ist über wenigstens zwei Durchtrittsöffnungen mit dem Ringraum verbunden, der von Wandteilen des Turbinenstators sowie der rotierenden Radscheibe begrenzt ist. Eine der wenigstens zwei Durchtrittsöffnungen ist zwischen der Umlenkeinheit und der Turbinenstatoreinheit radial außen liegend und die andere radial innen liegend angeordnet, wobei die Kanallängsachse der Düseneinheit in Flucht mit der radial außen liegenden Durchtrittsöffnung angeordnet ist. Die mit Fremdpartikeln vermischte Kühlluft durchströmt somit nahezu ungehindert die Ringkammer durch die radial außen angebrachte Durchtrittsöffnung und gelangt im weiteren über entsprechende Strömungskonturen, die an der rotierenden Radscheibe sowie der Turbinenstatoreinheit vorgesehen sind, ungehindert in den Arbeitskanal der Gasturbine. Durch die radial nach außen gerichtete Kühlluftströmung bedarf es daher grundsätzlich keiner an den einzelnen Fremdpartikeln angreifenden Zentrifugalkräfte, wie es bei dem vorstehend zitierten Stand der Technik der Fall ist, um eine gewünschte Separationswirkung hervorzurufen. Zwar greifen auch im erfindungsgemäßen Fall aufgrund der in Umfangsrichtung in die Ringkammer einströmende Kühlluft Zentrifugalkräfte an den Fremdpartikeln an, wodurch der Separationseffekt vorteilhaft unterstützt wird, doch beruht die Separationswirkung nicht ausschließlich auf dem Zentrifugaleffekt, wodurch sichergestellt ist, dass auch Fremdpartikel geringerer Masse aus dem tatsächlich, der rotierenden Radscheibe zuzuführenden Kühlluft extrahiert werden können.

Weitere, die erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß zweiter Lösungsalternative näher beschreibende Einzelheiten sind den jeweiligen Ausführungsbeispielen im weiteren zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 und 2 Längsschnitte durch eine Turbinenstatoreinheit sowie rotierende Radscheibe mit einer stationär an der Turbinenstatoreinheit befestigten Umlenkeinheit,
3 Längsschnitt durch eine Turbinenstatoreinheit sowie rotierende Radscheibe mit einer fest mit der rotierenden Radscheibe verbundenen Umlenkeinheit,
4 und 5 alternative Ausführungsbeispiele zu der in 3 dargestellten Anordnung,
6 Darstellung der Anordnung rippenartiger Elemente längs der Umlenkeinheit,
7a, b schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Fremdkörperseparationsvorrichtung (siehe b) gegenüber dem Stand der Technik (siehe a) sowie
8 Darstellung mit Strömungsgeschwindigkeitskomponenten zur Veranschaulichung der Separationswirkung der in 7b dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Turbinenstator 1 mit einer, mit diesem in fester Verbindung stehenden Leitschaufel 2 sowie einer um die Rotorachse R drehbar angeordneten Radscheibe 3 mit einer daran befestigten Turbinenlaufschaufel 4. In einem zwischen Leitschaufel 2 und Turbinenstator 1 eingeschlossenen Volumen 5 gelangt von einer nicht dargestellten Komprimierungseinheit Kühlluft, die mit Fremdpartikeln, beispielsweise Staubpartikel, versetzt ist. Im einzelnen gilt es, die von der Komprimierungseinheit zugeführte Kühlluft von den Fremdpartikeln zu trennen und die gesäuberte Kühlluft zur weiteren Kühlung der Laufschaufel 4 in die entsprechend hierfür vorgesehenen Kühlkanäle 6 innerhalb der Radscheibe 3, die mit einem entsprechend innerhalb der Laufschaufel 4 zu Kühlzwecken vorgesehenen Hohlkammersystem verbunden sind, zu leiten.
Zur Abscheidung der Fremdpartikel aus dem von der Komprimierungseinheit zugeführten Kühlluft gelangt die Kühlluft aus dem Volumen 5 über als Dralldüsen ausgebildete Düseneinheiten 7 in einen von Wandteilen des Turbinenstators 1 sowie der rotierenden Radscheibe 3 begrenzten Ringraum 8, der zudem radial nach außen durch vorspringende Stege der Leit- 2 sowie Laufschaufel 4 in Art einer Labyrinthdichtung 13 und radial innen liegend durch entsprechende Stege des Turbinenstators 1 sowie der Radscheibe 3, ebenfalls in Form einer Labyrinthdichtung begrenzt ist.
Inmitten des Ringraumes 8 ist eine Umlenkeinheit 9 vorgesehen, die fest mit dem Turbinenstator 1 verbunden ist. Die Umlenkeinheit 9 ist als ringförmiges Bauteil ausgebildet und weist im wesentlichen einen winkelprofilartigen Querschnitt auf, der einen unteren Verbindungssteg 10 vorsieht, der in eine entsprechend gegenkonturierte Befestigungsnut innerhalb des Turbinenstators 1 hineinragt.
Die Umlenkeinheit 9 sieht einen Flächenbereich 11 vor, auf den die durch die Düseneinheit 7 hindurchtretende Kühlluftströmung auftrifft, wobei der Flächenbereich 11 derart gegenüber der Strömungsrichtung der Kühlluftströmung geneigt ist, dass die Kühlluftströmung um einen Winkel α > 90° nach außen abgelenkt wird. Auf diese Weise erfährt der durch die Düseneinheiten 7 hindurchtretende Kühlluftstrom nebst aller in diesem enthaltenden Fremdpartikeln eine radial nach außen gerichtete Ablenkung. Somit werden jegliche Fremdpartikelablagerungen zwischen der Düseneinheit 7 und der Oberfläche des radial innen liegenden Verbindungssteges 10 der Umlenkeinheit 9 vermieden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Düseneinheiten 7 Kanallängsachsen 7' auf, die zwar senkrecht zur Radialrichtung orientiert sind, jedoch gemäß Detaildarstellung (siehe Doppelpfeil-Darstellung) eine Tangentialkomponente zur Induzierung einer in Umfangsrichtung innerhalb des Ringraumes 8 sich ausbreitenden Drallströmung aufweisen.
Die den Düseneinheiten 7 zugewandte Flächenkontur der Umlenkeinheit 9 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als konkav gekrümmte Fläche ausgebildet, die in Überströmungsrichtung eine frei endende Kontur 12 vorsieht, die für den radial nach außen gerichteten Strömungsfluss als Strömungsabrisskante ausgebildet ist. Der mit den Fremdpartikeln versetzte Strömungsfluss, auch als Sperrluftanteil bezeichnet, gelangt somit über die radial außen liegende Labyrinthdichtung 13 in den Arbeitskanal der Turbinenanordnung. Zwischen der frei endenden Kontur 12 der Umlenkeinheit 9 und dem radial außen liegenden Steg 15 der Radscheibe 3 bzw. der Laufschaufel 4 ist eine Durchtrittsöffnung 14 vorgesehen, durch die ein von Fremdpartikeln gereinigter Kühlluftanteil abgezweigt wird. Um zu gewährleisten, dass keine Fremdpartikel durch die Durchtrittsöffnung 14 aus der Hauptströmungsrichtung längs des Sperrluftanteiles gelangen, überragt die frei endende Kontur 12 längs der Strömungsrichtung des Sperrluftanteiles den Steg 15, so dass an dieser Stelle keine die Fremdpartikel aus dem Sperrluftanteil umlenkende Wirbelbildungen entstehen können.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel gleicht mit Ausnahme der räumlichen Lage der Kanallängsachse der Düseneinheit 7 dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Im in 2 dargestellten Fall sind die Kanallängsachsen 7' jeder einzelnen Düseneinheit 7 zusätzlich radial nach außen verlaufend geneigt, so dass die aus den Düseneinheiten 7 in den Ringraum 8 austretende Kühlluftströmung bereits vor Inkontakttreten mit dem jeweiligen Flächenbereich 11 der Umlenkeinheit 9 eine radial nach außen gerichtete Strömungskomponente erhält. Auch in diesem Fall ist der Flächenbereich 11, auf den die Kühlströmung nach Passieren der Düseneinheit 7 unmittelbar auftrifft, derart geneigt, dass die Kühlströmung um einen Winkel α > 90° radial nach außen abgelenkt wird. Aufgrund der durch die Düseneinheiten vorgegebene radialwärts gerichtete Neigung ist es möglich, auch im Unterschied zu der in 2 konkav gekrümmten, der Düseneinheit 7 zugewandten Fläche der Umlenkeinheit 9 eine alternativ ausgebildete Umlenkeinheit vorzusehen, die lediglich einen parallel zur Radialrichtung verlaufenden Flächenbereich aufweist. Somit wäre es möglich, die Umlenkeinheit als rechtwinkliges L-Profil auszubilden.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel sieht im Gegensatz zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen eine Umlenkeinheit 9 vor, die fest mit der rotierenden Radscheibe 3 verbunden ist. Im einzelnen entspricht die Anordnung der Düseneinheiten 7 innerhalb des Turbinenstators 1 dem Ausführungsbeispiel gemäß 2. Durch die schräg radial nach außen gerichtete Kühlkanallängsachse 7' ist es möglich, den Flächenbereich 11 der Umlenkeinheit 9 geradlinig auszubilden und zugleich zu gewährleisten, dass die aus den Düseneinheiten 7 austretende Kühlluftströmung vollständig radial nach außen abgelenkt wird.
Die mit ihrem radial äußeren Bereich mit dem Steg 15 der Radscheibe 3 fest verbundenen Umlenkeinheit 9 weist nahe dem Steg 15 Durchtrittsöffnungen 14 auf, durch die Kühlluft zur weiteren Kühlung aus dem Sperrluftanteil, der über die Labyrinthdichtung 13 in den Arbeitskanal der Turbinenanordnung gelangt, abgezweigt wird. Zur effektiven Vermeidung von Eintritt von Fremdpartikeln durch die Durchtrittsöffnung 14 ist in Strömungsrichtung an der Umlenkeinheit 9 vor der Durchtrittsöffnung 14 ein die Strömung von der Durchtrittsöffnung 14 abweisender Steg 16 vorgesehen, der gemäß Detaildarstellung in 3 den Partikelstrom (strichlierte Linie mit Punkten) von der Durchtrittsöffnung 14 abweist, wohingegen Fremdpartikel-freie Kühlluft (durchgezogene dicke Linie in Detaildarstellung) durch die Durchtrittsöffnung 14 hindurchtritt.
Durch die gegenüber dem Turbinenstator 1 drehbeweglich angeordnete Umlenkeinheit 9 ist radial innenliegend zwischen dem Turbinenstator 1 und der Umlenkeinheit 9 ein lichter Zwischenspalt 14' vorgesehen, durch den ebenfalls Kühlluft zur weiteren Kühlung der Laufschaufel 4 hindurchtritt.
Die 4 und 5 zeigen eine gegenüber 3 verbesserte Ausführungsform mit ebenfalls fest mit der rotierenden Radscheibe 3 verbundenen Umlenkeinheiten 9. 4 zeigt eine Anordnung mit einer die Radialrichtung senkrecht schneidenden Kühlkanallängsachse 7', wohingegen in 5 ein Ausführungsbeispiel mit einer radial nach außen geneigten Kühlkanallängsachse 7' dargestellt ist. In weiteren Details sind 4 und 5 identisch, so dass die Figurenerläuterung auf 4 beschränkt werden kann. Die Umlenkeinheit 9 weist einen, die aus der Düseneinheit 7 austretende Kühlluftströmung radial nach außen ablenkenden, konkav ausgeformten Flächenbereich 11 auf. Für die Weiterleitung der von Fremdpartikeln befreiten Kühlluft dienen die Durchtrittsöffnungen 14 sowie der radial innen liegende Zwischenspalt 14' zwischen der rotierenden Umlenkeinheit 9 und dem feststehenden Turbinenstator 1. Ferner sieht die Umlenkeinheit 9 zu Seiten der Düseneinheit 7 rippenartig ausgebildete Elemente 17 vor, wie sie insbesondere unter Bezugnahme auf 6b im einzelnen hervorgehen. Die rippenartigen Elemente 17 weisen jeweils eine senkrecht zur Rotationsachse der Radscheibe 3 orientierte Fläche auf, durch die die in den Ringraum 8 gelangende Kühlluft in Rotation in Umfangsrichtung versetzt wird. Zwar ist, wie eingangs erwähnt, durch die tangentiale Verkippung der Kanallängsachsen 7' der Düseneinheiten 9 bereits eine in Umfangsrichtung aufgeprägte Drallströmung innerhalb des Ringraumes 8 vorgegeben (siehe hierzu insbesondere die Beschreibung zu 1 und 2), jedoch wird die sich ausbildende Ringströmung innerhalb des Ringraumes zusätzlich durch die rippenartigen Elemente 17 weiter unterstützt.
Alternativ ist es möglich, auf die tangentiale Verkippung der Kanallängsachsen 7' der Düseneinheiten 7 vollständig zu verzichten, wobei die in Umfangsrichtung sich ausbreitende Kühlluftströmung innerhalb des Ringraumes ausschließlich durch den Mitnahmeeffekt der rippenartigen Elemente 17 angetrieben wird. Zur besseren Veranschaulichung der Anordnung und Wirkung der rippenartigen Elemente 17 sei auf 6 verwiesen, wobei 6a dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 entspricht. Die rippenartigen Elemente 17 sind äquidistant voneinander beabstandet längs des Flächenbereiches 11 der Umlenkeinheit 9. wie in 6b dargestellt vorgesehen. Vorzugsweise schließen zwei benachbart zueinander angeordnete rippenartige Elemente 17 eine Durchlassöffnung 14 ein.
7 dient der Beschreibung einer weiteren alternativen, erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Fremdpartikeln aus der den Laufschaufeln einer Turbine zuführbaren Kühlluft, vorzugsweise für eine Gasturbinenanlage.
7a dient der Beschreibung eines an sich bekannten Standes der Technik, der einen Turbinenstator 1 vorsieht, der axial zu einer nicht weiter dargestellten Rotoranordnung einer rotierenden Radscheibe 3 mit entsprechender Laufschaufel 4 angeordnet ist. Wie bereits im vorstehend geschilderten Fall sorgt eine nicht weiter dargestellte Komprimierungseinheit für die Zufuhr von Kühlluft in ein Volumen 5, aus dem über eine Düseneinheit 7 Kühlluft in eine Ringkammer 18 austritt. Die Düseneinheit 7 ist entsprechend jener Düseneinheit ausgebildet, die beispielsweise unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel in 1 beschrieben ist, d.h. die durch die Düseneinheit 7 in die Ringkammer 18 austretende Kühlluft breitet sich in dieser als in Umfangsrichtung umlaufende Drallströmung aus. Aufgrund der durch die in Umfangsrichtung umlaufende Drallströmung hervorgerufene Zentrifugalkraft werden die in der Drallströmung vorhandenen Fremdpartikel radial nach außen getrieben und gelangen durch die radial außen liegende Durchtrittsöffnung 19 in den von Wandteilen der rotierenden Radscheibe 3 sowie des Turbinenstators 4 begrenzten Ringraumes 8 und gelangen schließlich im weiteren in den Arbeitskanal der Gasturbine.
Demgegenüber ist radial innen liegend zur Ringkammer 18 eine weitere Durchtrittsöffnung 20 vorgesehen, durch die Fremdpartikel-freie, d.h. saubere Kühlluft hindurchtritt und in einen axial gegenüberliegend befindlichen Kühlkanal 6 innerhalb der rotierenden Radscheibe 3 einmündet.
Zur effektiven Verbesserung der Separationswirkung der an sich bekannten Abscheidevorrichtung gemäß dem Stand der Technik, wie er in 7a dargestellt ist, sieht gemäß 7b die Düseneinheit 7 einen Düsenkanal 71 mit einer die Strömungsrichtung der Kühlluftströmung bestimmenden Kanallängsachse 7' vor, die derart radialwärts geneigt ist, dass die den Düsenkanal 71 passierende Kühlluftströmung radial nach außen gerichtet ist. Zugleich ist die radial außen liegende Durchtrittsöffnung 19 in Flucht mit dem Düsenkanal 71 angeordnet, wodurch eine freie und ungehinderte Fremdpartikelausbreitung längs der Hauptströmung erfolgen kann. Die Kanallängsachse 7' des Düsenkanals 71 schließt mit der Rotationsachse der Radscheibe 3 einen Winkel β ein, der vorzugsweise zwischen 40° und 50° liegt.
Die Ringkammer 18 wird einerseits durch den Turbinenstator 1 und andererseits durch die Umlenkeinheit 9 begrenzt, die einen im wesentlichen radialwärts orientierten Strömungskanal innerhalb der Ringkammer 18 einschließt. Ausgehend von dem Düsenkanal 71 ist es insbesondere aufgrund der durch die in Umfangsrichtung umlaufende Drallströmung verursachten Zentrifugalkraft für die Fremdpartikel nicht möglich, längs der Ringkammer 18 radial nach innen abgelenkt zu werden und durch die radial innere Durchtrittsöffnung 20 zu gelangen.
Auch die Austrittskontur der Durchtrittsöffnung 20 sieht vergleichbar zur Durchtrittsöffnung 19 einen Strömungskanal 21 vor, dessen Strömungskanallängsachse um einen Winkel γ, vorzugsweise 0° < γ ≤ 35° radialwärts nach außen geneigt ist. Somit ist sichergestellt, dass die saubere Kühlluft, in Richtung des in der rotierenden Radscheibe 3 befindlichen Kühlkanals 6 einmündet.
Schließlich geht aus 8 eine weitere schematisierte Längsschnittdarstellung zu der bereits in 7b dargestellten Vorrichtung zur Abscheidung von Fremdpartikeln hervor. Wesentlich ist die radialwärts nach außen geneigte Kanallängsachse 7' des Düsenkanals 71, die zugleich auch schräg zur Tangentialebene zur Einprägung einer in Umfangsrichtung innerhalb des Ringraumes 8 sich ausbreitenden Drallstromes geneigt ist. Die schematisierte Kanalzuführung im unteren Teil der 8 zeigt eine axiale Draufsicht auf den Düsenkanal 71, der um einen Winkel δ zur Rotationsachse geneigt ist. Hierdurch ergibt sich eine innerhalb des Ringraumes 8 durch zwei Strömungsrichtungskomponenten a und u zusammengesetzte Drallströmung c.

1: Turbinenstator
2: Leitschaufel
3: Radscheibe
4: Laufschaufel
5: Volumen
6: Kühlkanal
7: Düseneinheit
7': Kanallängsachse
71: Düsenkanal
8: Ringraum
9: Umlenkeinheit
10: Verbindungssteg
11: Flächenbereich
12: Frei endende Kontur
13: Labyrinthdichtung
14: Durchtrittsöffnung
14': Zwischenspalt
15: Steg
16: Strömungsabweisende Kontur
17: Rippenartiges Element
18: Ringkammer
19: Radial äußere Durchtrittsöffnung
20: Radial innere Durchtrittsöffnung
21: Strömungskanal

Claims

Vorrichtung zum Abscheiden von Fremdpartikeln aus der den Laufschaufeln (4) einer Turbine zuführbaren Kühlluft, insbesondere für eine Gasturbinenanordnung, bei der die Kühlluft mittel oder unmittelbar über stationäre Düseneinheiten (7) einem zwischen Wandteilen eines Turbinenstators (1) und einer rotierenden Radscheibe (3) ausgebildeten Ringraum (8) als in Umfangsrichtung gerichtete Kühlluftströmung zuführbar ist, und der Ringraum (8) mit in der Radscheibe (3) angeordneten Kanälen (6) für die Zufuhr der Kühlluft in die Laufschaufeln (4) in Verbindung steht, wobei innerhalb des Ringraumes (8) oder den Ringraum (8) einseitig begrenzend eine Umlenkeinheit (9) vorgesehen ist, mit der die aus den Düseneinheiten (7) austretende Kühlluft vor dem Eintritt in die Kanäle (6) einseitig so umlenkbar ist, dass Fremdpartikel in einen radial äußeren Teil des Ringraums (8) abgeschleudert und zusammen mit einem Sperrluftanteil der zugeführten Kühlluft aus dem Ringraum (8) abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (9) einen Flächenbereich (11) aufweist, auf den die durch die Düseneinheit (7) hindurchtretende Kühlluftströmung auftrifft, durch die die Kühlluftströmung um einen Winkel a größer 90° radial nach Außen ablenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (8) radial außen und innen von Abschnitten axial vorspringender Stege (15) des Turbinenstators (1) und der Radscheibe (3) eingegrenzt ist, wobei die Stege mit einer sich in Umfangsrichtung überlappenden Anordnung Absperrdichtungen gegenüber Räumen der Gasturbinenanordnung ausbilden, in denen ein niedriger Druck als derjenige im Ringraum (8) ist, dass durch die radial außen liegende Absperrdichtung, vorzugsweise ausgebildet als Labyrinthdichtung (13) zur räumlichen Abgrenzung des Ringraumes (8) von dem radial aussen liegenden Turbinenkanal, der Sperrluftanteil mit den Fremdpartikeln in den Turbinenkanal tritt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (9) eine im Ringraum (8) frei endende Kontur (12) aufweist, die für die radial nach außen umgelenkte Kühlluftströmung als Strömungsabrisskontur dient und der weiteren Strömung in Hinblick auf den mit Fremdpartikeln versetzten Sperrluftanteil eine ungehinderte Ausbreitung in Richtung der radial außen liegenden Absperrdichtung gewährleistet, d.h. in Strömunsgrichtung des Sperrluftanteils schliesst sich der Strömungsabrisskontur ein offener Strömungsbereich an, in den keine Strömungshindernisse hineinragen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der frei endenden Kontur (12) radialseits nach außen anschliessend eine Durchtrittsöffnung (14) zur Einspeisung von Kühlluft in die Kanäle (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (14) von der frei endenden Kontur (12) der Umlenkeinheit (9) und einem Steg (15) der Radscheibe (3) begrenzt ist, und dass der die Durchtrittsöffnung (14) begrenzende Steg (15) in Bezug zu der die frei endende Kontur (12) der Umlenkeinheit (9) überströmenden Kühlluftströmung zurückversetzt angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (9) fest mit dem Turbinenstator (1) verbunden ist, und dass der Flächenbereich (11) der Umlenkeinheit (9), auf den die durch die Düseneinheit (7) hindurchtretende Kühlluftströmung auftrifft, beabstandet gegenüber der Düseneinheit (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseneinheiten (7) jeweils einen Düsenkanal (71) mit einer die Strömungsrichtung der Kühlluftströmung bestimmenden Kanallängsachse (7') vorsehen, die senkrecht zur Radialrichtung der um eine Achse rotierenden Radscheibe (3) orientiert ist, und dass der Flächenbereich (11) der Umlenkeinheit (9) derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass die Kanallängsachse (7') mit dem Flächenbereich (11) einen radial nach außen geöffneten Winkel α größer 90° einschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Kanallängsachse (7') der Düseneinheiten (7) radialwärts geneigt und der Flächenbereich (11) der Umlenkeinheit (9) parallel oder geneigt zur Radialrichtung orientiert ist, so dass die Kanallängsachse (7') mit dem Flächenbereich (11) einen radial nach außen geöffneten Winkel α größer 90° einschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (9) als ringförmiges Bauteil ausgebildet ist, das einen winkelprofilartigen Querschnitt aufweist, mit einem Verbindungssteg (10), über den die Umlenkeinheit (9) mit dem Turbinenstator (1) fest verfügbar ist, sowie einen den Flächenbereich (11) enthaltenden Abschnitt vorsieht, der von der Düseneinheit (9) beabstandet diese mit seiner frei endenden Kontur (12) radialwärts nach außen orientiert überragt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbindungssteg (10) und dem den Flächenbereich (11) enthaltenden Abschnitt eine Übergangskontur vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (9) fest mit der rotierenden Radscheibe (3) verbunden ist, und dass der Flächenbereich (11) der Umlenkeinheit (9), auf den die durch die Düseneinheit (7) hindurchtretende Kühlluftströmung auftrifft beabstandet gegenüber der Düseneinheit (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (7) mit dem radial außen liegenden Steg (15) der Radscheibe (3) verbunden ist, und dass in einem radial aussen liegenden Bereich der Umlenkeinheit (9) wenigstens eine Durchtrittsöffnung (14) zur Einspeisung von Kühlluft in die Kanäle (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar an der Durchtrittsöffnung (14) radial innenliegend angrenzend eine die Durchtrittsöffnung (14) axialwärts überragende frei endende Kontur (16) vorgesehen ist, die für die radial nach außen umgelenkte Kühlluftströmung als Strömungsabrisskontur dient und der weiteren Strömung in Hinblick auf den mit Fremdpartikeln versetzten Sperrluftanteil eine ungehinderte Ausbreitung in Richtung der radial außen liegenden Absperrdichtung gewährleistet, d.h. in Strömunsgrichtung des Sperrluftanteils schliesst sich der Strömungsabrisskontur ein offener Strömungsbereich an, in den keine Strömungshindernisse hineinragen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (9) einen radial innenliegenden, freien Endbereich vorsieht, der einen Zwischenspalt (14') mit einem Steg des Turbinenstators (1) einschließt, durch den Kühlluft zur weiteren Einspeisung in die Kanäle (6) hindurchtritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (9) wenigstens ein rippenartiges Element (17) vorsieht, das radialwärts dem Ringraum (8) zugewandt ist und eine senkrecht zur Rotationsrichtung der Radscheibe (3) orientierte Fläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der rippenartig ausgebildeten Elemente (17) die ringförmig ausgebildete Umlenkeinheit (9) in Sektoren aufteilt.
Vorrichtung zum Abscheiden von Fremdpartikeln aus der den Laufschaufeln (4) einer Turbine zuführbaren Kühlluft, insbesondere für eine Gasturbinenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseneinheiten (7) jeweils einen Düsenkanal (71) mit einer die Strömungsrichtung der Kühlluftströmung bestimmenden Kanallängsachse (7') vorsehen, die derart radialwärts geneigt ist, dass die den Düsenkanal (71) passierende Kühlluftströmung radialwärts nach Außen gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (9) mit dem Turbinenstator (1) fest verbunden ist und in Strömungsrichtung der Düseneinheit (7) nachgeordnet mit Wandteilen des Turbinenstators (1) eine Ringkammer (18) begrenzt, dass in der Umlenkeinheit (9) wenigstens zwei Durchtrittsöffnungen (19, 20) zum Ringraum (8) vorgesehen sind, eine erste, die radial aussenliegend, und eine zweite, die radial innenliegend angeordnet sind, und dass in Flucht mit der Kanallängsachse (T) die erste Durchtrittsöffnung (19) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (9) im Bereich der ersten Durchtrittsöffnung (19) eine in Durchströmungsrichtung verjüngende Kontur mit kleiner werdenden Strömungsquerschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanallängsachse (7') mit der Rotationsachse der Radscheibe (3) einen Winkel β einschliesst, mit 10° ≤ β ≤ 60°, vorzugsweise 40° ≤ β ≤ 50°, um den die Kanallängsachse (7') radialwärts geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (18) einen weitgehend radialwärts orientierten Strömungskanal vorsieht, der radial nach aussen in den Bereich der die den Düsenkanal (71) passierende radialwärts nach Außen gerichtete Kühlluftströmung mündet und radialwärts nach Innen mit der zweiten Durchtrittsöffnung (20) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor der zweiten Durchtrittsöffnung (20) ein Strömungskanal (21) mit einer Strömungskanallängsachse vorgesehen ist, die um einen Winkel γ radialwärts nach Außen geneigt ist, mit 0° < γ ≤ 35°.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanallängsachse jeweils der Düseneinheiten (19, 20) einen Winkel δ mit der Rotationsachse der Radscheibe (3) innerhalb einer Tangentialebene am Ort der Düseneinheit einschließt, mit δ > 0°.