DE102009003519A1

DE102009003519A1 - Systeme und Verfahren zum internen Kühlen eines Rades einer Dampfturbine

Info

Publication number: DE102009003519A1
Application number: DE102009003519A
Authority: DE
Inventors: Robert James Bracken; Michael Earl Montgomery; Stephen Roger Swan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-03-25
Also published as: FR2938870A1; US20090196735A1; US8105032B2; RU2009106156A; JP2009185810A

Abstract

Ein System kann ein Rad (116) einer Dampfturbine (100) kühlen, wobei das Rad (116) einem Rotor (110) der Dampfturbine (100) zugeordnet ist. Das System kann einen Einlasspfad (132) und einen Auslasspfad (134) enthalten. Der Einlasspfad (132) kann so angeordnet sein, dass er Dampf von einem Außenbereich des Rotors (110), durch einen Innenbereich des Rotors (110) und zu dem Rad (116) überträgt. Der Auslasspfad (134) kann so angeordnet sein, dass er Dampf aus dem Rad (116) durch den Innenbereich des Rotors (110) hindurch und zu dem Außenbereich des Rotors (110) überträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Kühlen eines Rades einer Dampfturbine und betrifft speziell Systeme und Verfahren zum internen Kühlen eines Rades einer Dampfturbine.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Dampfturbinen gewinnen zur Energieerzeugung Arbeit aus Dampf. Eine typische Dampfturbine kann einen Rotor in Verbindung mit einer Anzahl von Rädern enthalten. Die Räder können voneinander in Abstand entlang des Rotors unter Ausbildung einer Reihe von Stufen angeordnet sein. Die Stufen sind dafür ausgelegt, dem auf einem Strömungspfad von einem Eintritt zu einem Austritt der Turbine strömenden Dampf effizient Arbeit zu entziehen. Während der Dampf entlang des Strömungspfads fließt, treibt er über die Räder den Rotor an. Der Dampf kann stufenweise expandieren, und die Temperatur und der Druck des Dampfes können stufenweise abnehmen. Der Dampf wird dann aus dem Austritt der Turbine ausgegeben.
Bei höherer Temperatur arbeitende Dampfturbinen können höhere Ausgangsleistung erzeugen, da die erhöhte Temperatur des Dampfes die für den Entzug in den Stufen verfügbare Energie erhöhen kann. Beispielsweise kann eine mit Zwischenüberhitzungs-Dampfturbine einen Hochdruck-(HP)-Bereich, einen Zwischendruck-(IP)-Bereich und eine Niederdruck-(LP)-Bereich enthalten. Die Bereiche können in einer hintereinander angeordnet sein, wobei jeder Bereich Stufen enthält. Innerhalb der Bereiche wird dem Dampf Arbeit zum Antreiben des Rotors entzogen. Zwischen den Bereichen kann der Dampf zwischenerhitzt werden, um den Dampf zur Durchführung der Arbeit in dem nächsten Bereich neu zu konditionieren. Die HP- und IP-Abschnitte können bei relativ hohen Temperaturen unter Erhöhung der Turbinenausgangsleistung arbeiten.
Obwohl bei höherer Temperatur arbeitenden Dampfturbinen zu höherer Ausgangsleistung fähig sind, können die höheren Temperaturen einer Herausforderung für die zum Herstellen der Turbinenkomponenten verwendeten Materialien sein. Beispielsweise kann der Rotor eine Reihe einteiliger Schwalbenschwänze enthalten, welche die Verbindung der Laufschaufeln mit den Rädern ermöglichen. Bei höheren Temperaturen kann der Befestigungsbereich des Schwalbenschwanzes und der Laufschaufel Spannungsbelastung mit dem Risiko von Kriechen oder Bruch erfahren. Eine Lösung kann darin bestehen, den Rotor und die zugeordneten Schwalbenschwänze aus Materialien herzustellen, die so gewählt sind, dass sie höheren Temperaturen widerstehen. Jedoch sind derartige Materialien tendenziell relativ teuer und können schwierig in der gewünschten Geometrie zu bearbeiten sein. Eine weitere Lösung kann in der Kühlung des Befestigungsbereichs unter Verwendung von Dampf bestehen, der extern dem Befestigungsbereich zugeführt wird. Jedoch hat derartiger Dampf nirgendwo in der Turbine Arbeit verrichtet, und daher ist die Verwendung von derartigem Dampf für Kühlzwecke ineffizient und kann Leistungsverluste bewirken. Aus dem Vorstehenden ist es offensichtlich, dass ein Bedarf für Systeme und Verfahren zum Kühlen des Rades einer Dampfturbine und insbesondere des Befestigungsbereiches, bei welchem das Rad mit dem Rotor verbunden ist, besteht.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein System kann ein Rad einer Dampfturbine kühlen, wobei das Rad einem Rotor der Dampfturbine zugeordnet ist. Das System kann einen Einlasspfad und einen Auslasspfad enthalten. Der Einlasspfad kann so angeordnet sein, dass er Dampf von einem Außenbereich des Rotors durch einen Innenbereich des Rotors und zu dem Rad überträgt. Der Auslasspfad kann so angeordnet sein, dass er Dampf aus dem Rad durch den Innenbereich des Rotors und zu dem Außenbereich des Rotors überträgt.
Der Einlasspfad kann eine Einlassöffnung enthalten, die stromabwärts von dem Rad angeordnet ist. Der Auslasspfad kann eine Auslassöffnung enthalten, die stromabwärts von dem Rad angeordnet ist. Die Einlassöffnung kann stromaufwärts von der Auslassöffnung angeordnet sein, sodass eine Druckdifferenz zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung erzeugt wird, wobei sich die Einlassöffnung bei einem relativ höheren Druck als die Auslassöffnung befindet.
Ein ringförmiger Kanal kann um das Rad herum ausgebildet sein. Der Einlasspfad kann mit einem Eingang in den ringförmigen Kanal in Verbindung stehen. Der Auslasspfad kann mit einem Ausgang aus dem ringförmigen Kanal in Verbindung stehen.
Der Einlasspfad kann einen axialen Einlasskanal, einen stromabwärts befindlichen radialen Einlasskanal und einen stromaufwärts befindlichen radialen Einlasskanal enthalten. Der axiale Einlasskanal kann sich durch den Innenbereich des Rotors erstrecken. Der stromabwärts befindliche radiale Einlasskanal kann den Außenbereich des Rotors mit dem axialen Einlasskanal verbinden. Der stromaufwärts befindliche radiale Einlasskanal kann den axialen Einlasskanal mit dem Rad verbinden. Der Auslasspfad kann einen axialen Auslasskanal, einen stromaufwärts befindlichen radialen Auslasskanal und einen stromabwärts befindlichen radialen Auslasskanal enthalten. Der axiale Auslasskanal kann sich durch den Innenbereich des Rotors erstrecken. Der stromaufwärts befindliche radiale Auslasskanal kann das Rad mit dem axialen Auslasskanal verbinden. Der stromabwärts befindliche radiale Auslasskanal kann den axialen Auslasskanal mit dem Außenbereich des Rotors verbinden. Ein ringförmiger Kanal kann um das Rad herum ausgebildet sein. Der ringförmige Kanal kann sich in Umfangsrichtung um das Rad zwischen dem stromaufwärts befindlichen radialen Einlasskanal und dem stromaufwärts befindlichen radialen Auslasskanal befinden.
Das System kann auch eine axiale Bohrung und ein Rohr enthalten. Die axiale Bohrung kann sich im Wesentlichen entlang einer Längsachse des Rotors erstrecken. Das Rohr kann in der axialen Bohrung angeordnet sein. Ein Innenbereich des Rohres kann einen Abschnitt des Einlasspfades definieren. Ein Zwischenraum zwischen dem Rohr und der axialen Bohrung kann einen Abschnitt des Auslasspfades definieren. Die axiale Bohrung kann im Wesentlichen zylindrisch sein. Das Rohr kann im Wesentlichen zylindrisch sein. Ein Durchmesser des Rohres kann relativ kleiner als ein Durchmesser der axialen Bohrung sein. Das Rohr kann konzentrisch in der axialen Bohrung montiert sein.
In Ausführungsformen kann ein System einen Befestigungsbereich einer Dampfturbine kühlen. Das System kann einen ringförmigen Kanal und einen internen Kühlkreis enthalten. Der ringförmige Kanal kann sich in Umfangsrichtung um den Befestigungsbereich eines Rotors erstrecken. Der interne Kühlkreis kann durch einen Innenbereich des Rotors ausgebildet sein. Der interne Kühlkreis kann sich von einer Einlassöffnung durch einen ringförmigen Kanal zu einer Auslassöffnung erstrecken.
Der ringförmige Kanal kann stromaufwärts von der Einlassöffnung und der Auslassöffnung angeordnet sein. Die Einlassöffnung kann stromaufwärts von der Auslassöffnung angeordnet sein.
Der interne Kühlkreis kann einen ersten axialen Kanal, einen zweiten axialen Kanal, einen ersten radialen Kanal, einen zweiten radialen Kanal, einen dritten radialen Kanal und einen vierten radialen Kanal enthalten. Der erste axiale Kanal kann in einem Innenbereich des Rotors sein. Der zweite axiale Kanal kann in dem Innenbereich des Rotors sein. Der zweite axiale Kanal kann von dem ersten axialen Kanal getrennt sein. Der erste radiale Kanal kann sich von einem Außenbereich des Rotors zu dem ersten axialen Kanal erstrecken. Der zweite radiale Kanal kann sich von dem ersten axialen Kanal zu einem Eingang des ringförmigen Kanals erstrecken. Der dritte radiale Kanal kann sich von einem Ausgang des ringförmigen Kanals zu dem zweiten axialen Kanal erstrecken. Der vierte radiale Kanal kann sich von dem zweiten axialen Kanal zu dem Außenbereich des Rotors erstrecken.
Der interne Kühlkreis kann eine axiale Bohrung, ein Rohr, eine Anzahl von stromabwärts befindlichen radialen Kanälen und eine Anzahl von stromaufwärts befindlichen radialen Kanälen enthalten. Die axiale Bohrung kann sich axial durch einen Innenbereich des Rotors erstrecken. Das Rohr kann konzentrisch in der axialen Bohrung montiert sein. Das Rohr kann die axiale Bohrung in zwei einzelne Verbindungswege trennen. Die stromabwärts befindlichen radialen Kanäle können sich von der axialen Bohrung zu der Oberfläche des Rotors radial nach außen erstrecken. Die stromaufwärts befindlichen radialen Kanäle können sich von der axialen Bohrung zu dem ringförmigen Kanal radial nach außen erstrecken.
In Ausführungsformen kann ein System zum Kühlen einer Turbine einen ringförmigen Kanal und einen internen Kühlkreis enthalten. Der ringförmige Kanal kann sich in Umfangsrichtung um ein Rad der Turbine herum erstrecken. Der interne Kühlkreis kann durch einen Innenbereich eines Rotors der Turbine verlaufen. Der interne Kühlkreis kann einen Einlasspfad und einen Auslasspfad enthalten. Der Einlasspfad kann so angeordnet sein, dass er Dampf aus einem ersten stromabwärts befindlichen Radraum an den ringförmigen Kanal überträgt. Der Auslasspfad kann so angeordnet sein, dass er Dampf aus dem ringförmigen Kanal an einen zweiten stromabwärts befindlichen Radraum überträgt. Der zweite stromabwärts befindliche Radraum kann sich weiter stromabwärts als der erste stromabwärts befindliche Radraum befinden, sodass ein Druckabfall entlang dem internen Kühlkreis erzeugt wird, wenn sich die Turbine in Betrieb befindet. Der ringförmige Kanal kann sich in Umfangsrichtung um das Rad angrenzend an einen Schwalbenschwanz des Rotors erstrecken.
Das System kann eine axiale Bohrung und ein Rohr enthalten. Die axiale Bohrung kann sich durch den Innenbereich des Rotors erstrecken. Das Rohr kann konzentrisch in der axialen Bohrung montiert sein. Das Rohr kann die axiale Bohrung in zwei einzelne Verbindungswege trennen. Einer von den einzelnen Verbindungswegen kann einen Abschnitt des Einlasspfades bilden, und der andere von den einzelnen Verbindungswegen kann einen Abschnitt des Auslasspfades bilden.
Das System kann eine Anzahl von radialen Kanälen enthalten, die sich durch den Rotor erstrecken. Der Einlasspfad kann einige von den radialen Kanälen enthalten und der Auslasspfad kann die anderen radialen Kanäle enthalten.
Der Einlasspfad kann einen axialen Einlasskanal, einen stromabwärts befindlichen radialen Einlasskanal und eine stromaufwärts befindlichen radialen Einlasskanal enthalten. Der axiale Einlasskanal kann sich durch den Innenbereich des Rotors erstrecken. Der stromabwärts befindliche radiale Einlasskanal kann den ersten stromabwärts befindlichen Radraum mit dem axialen Einlasskanal verbinden. Der stromaufwärts befindliche radiale Einlasskanal kann den axialen Einlasskanal mit einem Eingang des ringförmigen Kanals verbinden. Der Auslasspfad kann einen axialen Auslasskanal, einen stromaufwärts befindlichen radialen Auslasskanal und einen stromabwärts befindlichen radialen Auslasskanal enthalten. Der axiale Auslasskanal kann sich durch den Innenbereich des Rotors erstrecken. Der stromaufwärts befindliche radiale Auslasskanal kann einen Ausgang des ringförmigen Kanals mit dem axialen Auslasskanal verbinden. Der stromabwärts befindliche radiale Auslasskanal kann den axialen Auslasskanal mit dem zweiten stromabwärts befindlichen Radraum verbinden.
Der interne Kühlkreis kann einen ersten axialen Kanal, einen zweiten axialen Kanal, einen ersten radialen Kanal, einen zweiten radialen Kanal, einen dritten radialen Kanal und einen vierten radialen Kanal enthalten. Der erste axiale Kanal kann sich in dem Innenbereich des Rotors befinden. Der zweite axiale Kanal kann sich in dem Innenbereich des Rotors befinden. Der zweite axiale Kanal kann von dem ersten axialen Kanal getrennt sein. Der erste radiale Kanal kann sich von dem ersten stromabwärts befindlichen Radraum zu dem ersten axialen Kanal erstrecken. Der zweite radiale Kanal kann sich von dem ersten axialen Kanal zu einem Eingang des ringförmigen Kanals erstrecken. Der dritte radiale Kanal kann sich von einem Ausgang des ringförmigen Kanals zu dem zweiten axialen Kanal erstrecken. Der vierte radiale Kanal kann sich aus dem zweiten axialen Ka nal zu dem zweiten stromabwärts befindlichen Radraum erstrecken.
Weitere Systeme, Vorrichtungen, Verfahren, Merkmale und Vorteile der offenbarten Systeme und Verfahren zum internen Kühlen eines Rades einer Dampfturbine sind oder werden für einen Fachmann auf dem Gebiet nach Betrachtung der nachstehenden Figuren und der detaillierten Beschreibung ersichtlich. Alle derartigen zusätzlichen Systeme, Vorrichtungen, Verfahren, Merkmale und Vorteile sollen in der Beschreibung mit enthalten sein und durch die beigefügten Ansprüche geschützt sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung wird durch Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren besser verständlich. Übereinstimmende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile durchgängig durch die Figuren, und Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Dampfturbine, welche schematisch eine Ausführungsform eines internen Kühlkreises der Dampfturbine darstellt.
2 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Ausführungsform der Dampfturbine von 1, welche einen Befestigungsbereich darstellt, bei welchem eine Laufschaufel mit einem Schwalbenschwanz eines Rades verbunden ist.
3 ist eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform der Dampfturbine, welche eine weitere Ausführungsform eines internen Kühlkreises darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden Ausführungsformen von Systemen und Verfahren zum internen Kühlen eines Rades einer Dampfturbine beschrieben. Die Systeme und Verfahren können Dampf aus der Turbine zum Kühlen des Rades verwenden. Der Kühldampf kann intern von einer ”stromabwärts” befindlichen Stufe der Turbine zu einer ”stromaufwärts” befindlichen Stufe der Turbine geleitet werden. Der stromabwärts vorliegende Dampf kann bereits Arbeit in einer der stromaufwärts befindlichen Stufen der Turbine verrichtet haben. Daher kann der stromabwärts befindliche Dampf relativ kühler als die Räder der stromaufwärts befindlichen Stufen sein. Ein derartiger kühlerer Dampf kann intern durch den Rotor der Turbine zu dem Befestigungsbereich des Rades so geleitet werden, dass der kühlere Dampf das Rad kühlen kann. Nachdem das Rad gekühlt worden ist, kann der Dampf intern durch das Innere des Rotors zu einem Auslass an einem stromabwärts befindlichen Ende der Turbine geleitet werden. Dadurch kann der Befestigungsbereich unter Verwendung von Dampf gekühlt werden, der ein Nebenprodukt des Turbinenbetriebs ist.
Von den Figuren ist 1 eine Querschnittsansicht eines Abschnittes einer Dampfturbine 100, die schematisch eine Ausführungsform eines internen Kühlkreises 102 der Dampfturbine 100 darstellt. Die Dampfturbine 100 kann eine Hochtemperatur-Dampfturbine 100, wie z. B. ein HP- oder IP-Bereich einer Zwischenüberhitzungsturbine sein. Jede andere Dampfturbine 100 kann verwendet werden. Die Dampfturbine 100 kann einen Eintritt 104 und einen Austritt 106 enthalten. Der Eintritt 104 kann beispielsweise mit einem (nicht dargestellten) Kessel in Verbindung stehen, der Dampf an die Turbine 100 liefert. Der Austritt 106 kann beispielsweise mit einem Kessel in Verbindung stehen, der den Dampf zur Verwendung in einem nachfolgen den Bereich der Turbine 100 zwischenerhitzt, obwohl auch andere Konfigurationen möglich sind. Beispielsweise kann der Austritt 106 den Dampf aus der Turbine 100 ausgeben. Ein Strömungspfad kann durch die Turbine 100 von dem Eintritt 104 zu dem Austritt 106 definiert sein. Der Strömungspfad kann sich in einer Längsrichtung 108 erstrecken. Ein Rotor 110 kann sich entlang dem Strömungspfad durch die Turbine 100 erstrecken. Der Rotor 110 kann eine Längsachse 112 haben, die im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 108 ist.
Eine Anzahl von Stufen 114 kann entlang dem Strömungspfad definiert sein. In der 1 sind die Stufen 114 zur Verdeutlichung nummeriert. Jede Stufe 114 kann ein dem Rotor 110 zugeordnetes Rad 116 enthalten. Die Räder 116 können in Abstand voneinander entlang der Längsachse 112 des Rotors in Abstand angeordnet sein, und ein Radraum 18 kann zwischen zwei Rädern 116 definiert sein. Die Räder 116 können sich von dem Rotor 110 in einer radialen Richtung 120 nach außen erstrecken. Die Räder 116 können beispielsweise im Wesentlichen zu der Längsrichtung 108 senkrecht sein. Die dargestellte Turbine 100 enthalt zehn Räder 118 und daher zehn Stufen 114, obwohl die Turbine 100 jede beliebige Anzahl von Rädern 116 und Stufen 114 in weiteren Ausführungsformen haben kann.
2 ist eine Teilquerschnittsansicht der Dampfturbine 100, die einen Befestigungsbereich 122 darstellt, bei welchem eine Laufschaufel 124 mit dem Rad 116 verbunden ist. Insbesondere kann ein Schwalbenschwanz 126 beispielsweise in einem Stück auf dem Rad 116 ausgebildet sein. Der Schwalbenschwanz 126 kann die Verbindung der Schaufel 124 mit dem Rad 116 ermöglichen, so dass die Drehung der Laufschaufel 124 über das Rad 116 an den Rotor 110 weitergegeben wird. Der dargestellte Schwalbenschwanz 126 ist ein Tangentialeintritts-Schwalbenschwanz mit einer tannenbaumartigen Form, wobei jedoch der Schwalbenschwanz 126 jede andere Form oder Konfiguration haben kann. Gemäß Darstellung in 2 ist ein kleiner Spalt oder eine Öffnung zwischen der Laufschaufel 124 und dem Schwalbenschwanz 126 ausgebildet. Der kleine Spalt oder die Öffnung können einen ringförmigen Kanal 128 definieren, der sich in Umfangsrichtung um den Befestigungsbereich 122 zwischen der Laufschaufel 124 und dem Schwalbenschwanz 126 erstreckt.
Gemäß 1 tritt Dampf in die Turbine 100 bei dem Eintritt 104 ein und wandert den Strömungspfad entlang zu dem Austritt 106. Für die Zwecke dieser Offenbarung bezeichnet der Begriff ”stromabwärts” eine Richtung, die sich von dem Eintritt 104 der Turbine 100 weg zu dem Austritt 106 hin erstreckt, während der Begriff ”stromaufwärts” eine Richtung bezeichnet, die sich von dem Austritt 106 der Turbine 100 weg zu dem Eintritt 104 hin erstreckt. Während der Dampf stromabwärts wandert, expandiert der Dampf und der Druck und die Temperatur des Dampfes nehmen ab. Aufgrund des abnehmenden Druckes kann jede stromabwärts liegende Stufe 114 einen relativ niedrigeren Druck als entsprechende stromaufwärts befindliche Stufen 114 haben. Ferner kann jede stromabwärts befindliche Stufe 114 eine relativ niedrigere Temperatur als entsprechende stromaufwärts befindliche Stufen 114 haben. Daher kann Dampf aus einer stromabwärts befindlichen Stufe 114 den Komponenten einer stromaufwärts befindlichen Stufe 114 zugeführt werden, um die Komponenten, wie z. B. die Laufschaufel 124 und den Schwalbenschwanz 126 in dem Befestigungsbereich 122, zu kühlen.
Um die Führung des kühleren Dampfes zu und von der stromaufwärts befindlichen Stufe 114 zu ermöglichen, kann der interne Kühlkreis 102 durch einen Innenbereich des Rotors 110 definiert sein. Im Wesentlichen kann der interne Kühlkreis 102 einen Einlasspfad 132 und einen Auslasspfad 134 enthalten. Der Einlasspfad 132 kann so angeordnet sein, dass er Dampf von der stromabwärts befindlichen Stufe 114 zu der stromaufwärts befindlichen Stufe 114 überträgt. Beispielsweise kann sich der Einlasspfad 132 von einer Einlassöffnung 136, die sich in dem Radraum 118 einer stromabwärts befindlichen Stufe 114 befindet, zu dem ringförmigen Kanal 128 erstrecken, der sich in dem Befestigungsbereich 122 einer stromaufwärts befindlichen Stufe 114 erstreckt. Die Einlassöffnung 136 kann beispielsweise in Verbindung mit einem Außenbereich des Rotors 110 stehen. Zwischen der Einlassöffnung 136 und dem ringförmigen Kanal 128 kann sich der Einlasspfad 132 durch den Innenbereich des Rotors 110 erstrecken.
Der Auslasspfad 134 kann so angepasst sein, dass er Dampf aus der stromaufwärts befindlichen Stufe 114 zu einer stromabwärts befindlichen Stufe 114 überträgt. Beispielsweise kann sich der Auslasspfad 134 von dem ringförmigen Kanal 128 zu einer Auslassöffnung 138 erstrecken. Die Auslassöffnung 138 kann mit dem Außenbereich des Rotors 110 in dem Radraum 118 der stromabwärts befindlichen Stufe 114 in Verbindung stehen. Zwischen dem ringförmigen Kanal 128 und der Auslassöffnung 138 kann sich der Auslassverbindungsweg 134 durch den Innenbereich des Rotors 110 erstrecken. In dem Innenbereich des Rotors 110 kann der Auslasspfad 134 von dem Einlasspfad 132 beispielsweise durch eine (in 1 nicht dargestellte) Wand getrennt sein.
Der interne Kühlkreis 102 ermöglicht die Führung von stromabwärts anzutreffendem Dampf mit relativ niedrigerer Temperatur zu stromaufwärts befindlichen Komponenten mit relativ höherer Temperatur für Kühlzwecke. Beispielsweise kann Dampf aus einem stromabwärts befindlichen Radraum 118 dem ringförmigen Kanal 128 in dem Befestigungsbereich 122 einer stromaufwärts befindlichen Stufe 114 zugeführt werden. Der Dampf kann durch die Einlassöffnung 136 in den Radraum 118 der stromab wärts befindlichen Stufe 114, entlang dem Einlasspfad 132 in dem Innenbereich des Rotors 110 und zu dem ringförmigen Kanal 128 der stromaufwärts befindlichen Stufe 114 wanden. Der Dampf kann dann in Umfangsrichtung entlang dem ringförmigen Kanal 128 wandern, und dabei Wärme aus dem Schwalbenschwanz 126 und der Laufschaufel 124 aufnehmen, um die Temperatur des Befestigungsbereiches 122 zu reduzieren. Der Dampf kann dann aus dem ringförmigen Kanal 128 der stromaufwärts befindlichen Stufe 114 entlang dem Auslasspfad 134 in dem Innenbereich des Rotors 110 und zu der Auslassöffnung 138 in dem Radraum 118 der stromabwärts befindlichen Stufe 114 wandern.
In Ausführungsformen, in welchen der interne Kühlkreis 102 ein geschlossener Pfad ist, kann die Auslassöffnung 138 stromabwärts von der Einlassöffnung 136 positioniert sein. Eine derartige Positionierung kann eine Druckdifferenz über dem internen Kühlkreis 102 erzeugen, die den Dampf entlang dem internen Kühlkreis 102 saugt. Wie vorstehend erwähnt, kann der Druck in der Turbine 100 stufenweise entlang des Strömungspfades abnehmen und daher kann Dampf in einer stromaufwärts befindlichen Stufe 114 einen relativ höheren Druck aufweisen als Dampf in einer entsprechenden stromabwärts befindlichen Stufe 116. Somit kann, wenn sich die Einlassöffnung 136 stromaufwärts befindet, der Druck an der Einlassöffnung 136 relativ höher als der Druck an der Auslassöffnung 138 sein. Die Druckdifferenz kann den Dampf durch den internen Kühlkreis 102 von der Einlassöffnung 136 zu der Auslassöffnung 138 treiben, obwohl auch andere Konfigurationen möglich sind. Beispielsweise kann eine Pumpe oder eine ähnliche Art von Übertragungsvorrichtung verwendet werden.
In der dargestellten Ausführungsform führt der interne Kühlkreis 102 Dampf aus der fünften Stufe zu der ersten Stufe und von der ersten Stufe zu der zehnten Stufe. Der dargestell te interne Kühlkreis 102 ist jedoch lediglich ein Beispiel und andere interne Kühlkreise 102 können in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen sein. Insbesondere kann der interne Kühlkreis 102 Dampf aus jeder Stufe 114, die relativ weiter stromabwärts im Gegensatz zu jeder beliebigen Stufe 114, die relativ weiter stromaufwärts ist, führen, sodass der Dampf für Kühlzwecke verwendet werden kann. Der interne Kühlkreis 102 kann den Dampf von der relativ weiter stromaufwärts befindlichen Stufe 114 zu jeder Stufe 114 führen, die sich relativ weiter stromabwärts befindet, sodass der Dampf aus der Turbine 100 ausgegeben oder zur Verwendung in anschließenden Turbinenbereichen wieder verwendet werden kann. In einigen Fällen kann der interne Kühlkreis 102 Dampf zu mehreren stromaufwärts befindlichen Stufen für den Zweck der Kühlung mehrerer Befestigungsbereiche 122 führen. In derartigen Fällen können die Einlass- und Auslasspfade 132, 134 mit mehreren ringförmigen Kanälen 128 in Verbindung stehen. Tatsächlich kann sich der interne Kühlkreis 102 zwischen unterschiedlichen Bereichen der Turbine 100 erstrecken. Beispielsweise kann eine Zwischenüberhitzungsturbine mehrere Bereiche enthalten, die bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken arbeiten. Dampf aus einem LP- oder IP-Bereich der Zwischenüberhitzungsturbine kann dem HP-Bereich der Turbine 100 zugeführt werden, um eine Stufe 114 des HP-Bereichs zu kühlen. In derartigen Fällen kann der interne Kühlkreis 102 eine Kupplung des Rotors 110 an einem Ende des Abschnittes durchqueren.
3 ist eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform-Dampfturbine 300, welche eine weitere Ausführungsform eines internen Kühlkreises 302 darstellt. Gemäß Darstellung kann der interne Kühlkreis 302 eine Axialbohrung 340, eine Anzahl axialer Kanäle 342 in der Axialbohrung 340 und eine Anzahl radialer Kanäle 344 in einem Rotor 310 enthalten. Die axiale Bohrung 340 kann sich durch einen Innenbereich des Rotors 310 im Wesentlichen in einer Längsrichtung 308 erstrecken. Um eine ausgewuchtete Drehung des Rotors 310 zu ermöglichen, kann die axiale Bohrung 340 im Wesentlichen eine zylindrische Gestalt haben und kann im Wesentlichen zu einer Längsachse 312 des Rotors 310 ausgerichtet sein.
Die axialen Kanäle 342 können einen axialen Einlasskanal 346 und einen axialen Auslasskanal 348 enthalten. Die axialen Kanäle 342 können beispielsweise durch eine Wand getrennt sein. Ausführungsformen axialer Kanäle 342 werden nachstehend detaillierter beschrieben, obwohl jede beliebige Konfiguration möglich ist.
Die radialen Kanäle 344 können durch den Rotor 310 hindurch ausgebildet sein. Die radialen Kanäle 344 können sich im Wesentlichen in einer radialen Richtung 320 von dem Außenbereich des Rotors 310 zu der axialen Bohrung 340 erstrecken. Wie dargestellt, enthalten die radialen Kanäle 344 einen stromabwärts befindlichen radialen Einlasskanal 350, einen stromaufwärts befindlichen radialen Einlasskanal 352, einen stromaufwärts befindlichen radialen Auslasskanal 354 und einen stromabwärts befindlichen radialen Auslasskanal 356.
Der stromabwärts befindliche radiale Einlasskanal 350 kann sich in einem stromabwärts befindlichen Radraum 318 befinden, der sich von dem Außenbereich des Rotors 310 zu dem axialen Einlasskanal 346 in der axialen Bohrung 340 erstreckt. Somit ermöglicht der stromabwärts befindliche radiale Einlasskanal 350 die Übertragung von Dampf aus dem stromabwärts befindlichen Radraum 318 an den axialen Einlasskanal 346. Zwei stromabwärts befindliche radiale Einlasskanäle 350 sind für Darstellungszwecke dargestellt, obwohl einer weggelassen sein kann.
Der stromaufwärts befindliche radiale Einlasskanal 352 kann angrenzend an ein stromaufwärts befindliches Rad 316 angeordnet sein, und sich von dem axialen Einlasskanal 346 durch einen Schwalbenschwanz 326 hindurch und zu einem Eingang 360 in einen ringförmigen Kanal 328 zwischen dem Schwalbenschwanz 326 und dem Rad 316 erstrecken. Somit ermöglicht der stromaufwärts befindliche radiale Einlasskanal 352 die Übertragung von Dampf aus dem axialen Einlasskanal 346 in den Eingang 360 des ringförmigen Kanals 328.
Der stromaufwärts befindliche radiale Auslasskanal 354 kann angrenzend an das stromaufwärts liegende Rad 316 angeordnet sein, und sich dabei von einem Ausgang 362 des ringförmigen Kanals 328 zu dem axialen Auslasskanal 348 in der axialen Bohrung 340 erstrecken. Somit kann der stromaufwärts befindliche radiale Auslasskanal 354 die Übertragung von Dampf aus dem Ausgang 362 des ringförmigen Kanals 328 zu dem axialen Auslasskanal 348 der axialen Bohrung 340 ermöglichen.
Der stromabwärts befindliche radiale Auslasskanal 356 kann in einem stromabwärts befindlichen Radraum 318 angeordnet sein, und sich dabei von dem axialen Auslasskanal 348 in der axialen Bohrung 340 zu dem Außenbereich des Rotors 310 erstrecken. Somit kann der stromabwärts befindliche radiale Auslasskanal 356 die Übertragung von Dampf aus dem axialen Auslasskanal 348 zu dem Außenbereich des Rotors 310 in dem stromabwärts befindlichen Radraum 318 ermöglichen. Zwei stromabwärts befindliche radiale Auslasskanäle 356 sind für Darstellungszwecke dargestellt, obwohl einer weggelassen sein kann.
Zusammen können die axialen Kanäle 342 und die radialen Kanäle 344 den internen Kühlkreis 302 bilden. Insbesondere kann ein Einlasspfad 332 den stromabwärts befindlichen radialen Einlasskanal 350, den axialen Einlasskanal 346 und den stromaufwärts befindlichen radialen Einlasskanal 352 enthalten. Der Einlasspfad 332 ermöglicht die Übertragung von Dampf aus dem stromabwärts befindlichen Radraum 318 zu dem Eingang 360 in dem stromaufwärts befindlichen ringförmigen Kanal 328. Ferner kann ein Auslasspfad 334 den stromaufwärts befindlichen radialen Auslasskanal 354, den axialen Auslasskanal 348 und den stromabwärts befindlichen radialen Auslasskanal 356 enthalten. Der Auslasskanal 334 ermöglicht die Übertragung von Dampf aus dem Ausgang 362 des stromaufwärts befindlichen ringförmigen Kanals 328 zu dem stromabwärts befindlichen Radraum 318.
Gemäß Darstellung können die stromabwärts befindlichen radialen Einlasskanäle 350 stromaufwärts von den stromabwärts befindlichen radialen Auslasskanälen 356 angeordnet sein. Somit kann eine Druckdifferenz über dem internen Kühlkreis 302 ausgebildet werden. Die Druckdifferenz kann den Dampf wie vorstehend beschrieben durch den ringförmigen Kanal 328 für Kühlungszwecke treiben.
In Ausführungsformen können der axiale Einlasskanal 346 und der axiale Auslasskanal 348 konzentrisch in der axialen Bohrung 340 angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Rohr 363 in der axialen Bohrung 340 angeordnet sein. Das Rohr 363 kann sich im Wesentlichen in der Längsrichtung 308 erstrecken. Das Rohr 363 kann im Wesentlichen eine zylindrische Form haben und kann im Wesentlichen zu der Längsachse 312 des Rotors 310 ausgerichtet sein. Das Rohr 363 kann einen hohlen Innenbereich und einen Außendurchmesser haben, der relativ kleiner als ein Durchmesser der axialen Bohrung 340 ist. Das Rohr 363 kann an beiden Enden geschlossen sein. Somit kann, wenn das Rohr 363 konzentrisch in der axialen Bohrung 340 so montiert ist, dass der Außenbereich des Rohres von der Oberfläche der axialen Bohrung 340 in Abstand angeordnet ist, das Rohr 363 einen ge trennten Verbindungsweg innerhalb der axialen Bohrung 340 definieren.
Insbesondere kann der Innenbereich des Rohres 363 einen inneren Verbindungsweg 364 definieren, der beispielsweise eine zylindrische Form hat. Der Zwischenraum zwischen dem Außenbereich des Rohres 363 und der Oberfläche der axialen Bohrung 340 kann einen äußeren Verbindungsweg 366 definieren, der im Wesentlichen rohrförmig ist. Die Verbindungswege 364, 366 können konzentrisch in Bezug zueinander angeordnet sein und können sich durch den Innenbereich des Rotors 310 in der Längsrichtung 308 erstrecken. Das Rohr 363 kann die Verbindungswege 364, 366 voneinander trennen oder isolieren.
Das Rohr 363 kann mit dem Rotor 310 an bestimmten Stellen entlang des Längsverlaufs des Rotors 310 verbunden sein. Beispielsweise können Unterstützungsschultern 368 oder andere geeignete Vorrichtungen das Rohr 363 in der axialen Bohrung 340 befestigen. Somit kann die Drehung des Rotors 310 auf das Rohr 363 übertragen werden, sodass sich beide gemeinsam drehen. In einigen Ausführungsformen können die Unterstützungsschultern 368 drehungsverhindernde Ansätze sein, die auf Außenseiten des Rohres 363 ausgebildet sind. Die drehungsverhindernden Ansätze können in drehungsverhindernde Nuten eingreifen, die auf der Oberfläche der axialen Bohrung 340 eingearbeitet sind, obwohl weitere Konfigurationen möglich sind.
Damit der innere Verbindungsweg 364 mit ausgewählten radialen Kanälen 344 in Verbindung stehen kann, können sich Strömungskupplungen 370 quer zu dem äußeren Verbindungsweg 366 erstrecken, um den inneren Verbindungsweg 364 mit den ausgewählten radialen Kanälen 344 zu verbinden. In Ausführungsformen können die Unterstützungsschultern 368 zu den ausgewählten radialen Kanälen 344 ausgerichtet sein, und die Strömungskupp lungen 370 können durch die Unterstützungsschultern 368 hindurch ausgebildete Löcher sein. Weitere Konfigurationen sind möglich. Unabhängig davon können die Unterstützungsschultern 368 und die Strömungskupplungen 370 so bemessen und geformt sein, dass sie einen Dampfstrom entlang dem äußeren Verbindungsweg 366 ermöglichen. Beispielsweise können die Unterstützungsschultern 368 Öffnungen oder Schlitze haben, die einen Dampfdurchfluss in der Längsrichtung 308 ermöglichen.
In der dargestellten Ausführungsform bildet der innere Verbindungsweg 364 den axialen Einlasskanal 346 des internen Kühlkreises 302, welcher Dampf stromaufwärts an das Rad 316 liefert. Eine derartige Konfiguration kann eine Kühlung ermöglichen, da das Rohr 363 mit einem relativ kleineren in dem inneren Verbindungsweg 364 statt in dem äußeren Verbindungsweg 366 angeordneten Dampfvolumen in Kontakt steht. Somit kann der zum Kühlen des Befestigungsbereiches 322 stromaufwärts wandernde Dampf relativ weniger Wärme aus dem Rohr 363 aufnehmen, wenn er in dem inneren Verbindungsweg 364 statt in dem äußeren Verbindungsweg 366 wandert. Jedoch kann in anderen Ausführungsformen die Konfiguration umgekehrt sein.
Der vorstehend beschriebene interne Kühlkreis ermöglicht die Kühlung des Befestigungsbereiches zwischen einem Schwalbenschwanz und einer Laufschaufel unter Verwendung von Dampf, der bereits Arbeit in anderen Bereichen der Turbine verrichtet hat. Daher kann der Rotor beispielsweise aus Materialien hergestellt werden, die relativ weniger tolerant gegen hohe Temperaturen sind. Derartige Materialien können relativ weniger teuer sein, was die Kosten der Turbine verringert. Ferner kann eine Leistungsverbesserung realisiert werden, da die Materialien in dem Befestigungsbereich unter Verwendung von Dampf gekühlt werden, der bereits Arbeit anderswo in der Turbine geleistet hat. Der Schwalbenschwanz und die Laufschaufel können weniger wahrscheinlich einen Kriechvorgang oder Bruch in dem Befestigungsbereich erfahren, was die Leistung der Turbine ohne die Leistungsverluste in Verbindung mit externen Kühlsystemen verbessert.
Obwohl spezielle Ausführungsformen von Systemen und Verfahren zum internen Kühlen eines Rades einer Dampfturbine im Detail in der vorstehenden Beschreibung und in den Figuren für Zwecke eines Beispiels beschrieben wurde, wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass Varianten und Modifikationen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung ausgeführt werden können. Alle derartigen Varianten und Modifikationen sollen in dem durch die nachstehenden Ansprüche und deren Äquivalente geschützten Umfang der vorliegenden Offenbarung enthalten sein.
Ein System kann ein Rad 116 einer Dampfturbine 100 kühlen, wobei das Rad 116 einem Rotor 110 der Dampfturbine 100 zugeordnet ist. Das System kann einen Einlasspfad 132 und einen Auslasspfad 134 enthalten. Der Einlasspfad 132 kann so angeordnet sein, dass er Dampf von einem Außenbereich des Rotors 110, durch einen Innenbereich des Rotors 110 und zu dem Rad 116 überträgt. Der Auslasspfad 134 kann so angeordnet sein, dass er Dampf aus dem Rad 116 durch den Innenbereich des Rotors 110 hindurch und zu dem Außenbereich des Rotors 110 überträgt.

100: Turbine/Dampfturbine
102: Interner Kühlkreis
104: Eintritt
106: Austritt
108: Längsrichtung
110: Rotor
112: Längsachse
114: Stufen
116: Rad
118: Radraum
120: Radiale Richtung
122: Befestigungsbereich
124: Laufschaufel
126: Schwalbenschwanz
128: Ringförmiger Kanal
132: Einlasspfad
134: Auslasspfad
136: Einlassöffnung
138: Auslassöffnung
300: Turbine/Dampfturbine
302: Interner Kühlkreis
308: Längsrichtung
310: Rotor
312: Längsachse
316: Rad
318: Radraum
320: Radiale Richtung
322: Befestigungsbereich
326: Schwalbenschwanz
328: Ringförmiger Kanal
332: Einlasspfad
334: Auslasspfad
340: Axiale Bohrung
342: Axiale Kanäle
344: Radiale Kanäle
346: Axialer Einlasskanal
348: Axialer Auslasskanal
350: Stromabwärts befindlicher radialer Einlasskanal
352: Stromaufwärts befindlicher radialer Einlasskanal
354: Stromaufwärts befindlicher radialer Auslasskanal
356: Stromabwärts befindlicher radialer Auslasskanal
360: Eingang
362: Ausgang
363: Rohr
364: Innerer Verbindungsweg
366: Äußerer Verbindungsweg
368: Unterstützungsschulter
370: Strömungskupplungen

Claims

System zum Kühlen eines Rades (116) einer Dampfturbine (100), wobei das Rad (116) einem Rotor (110) der Dampfturbine (100) zugeordnet ist, wobei das System aufweist: einen Einlasspfad (132), der so angeordnet ist, dass er Dampf von einem Außenbereich des Rotors (110) durch einen Innenbereich des Rotors (110) und zu dem Rad (116) überträgt; und einen Auslasspfad (134), der so angeordnet ist, dass er Dampf aus dem Rad (116) durch den Innenbereich des Rotors (110) und zu dem Außenbereich des Rotors (110) überträgt.
System nach Anspruch 1, wobei: der Einlasspfad (132) eine Einlassöffnung (136) aufweist, die stromabwärts von dem Rad (116) angeordnet ist; und der Auslasspfad (134) eine Auslassöffnung (138) aufweist, die stromabwärts von dem Rad (116) angeordnet ist.
System nach Anspruch 2, wobei die Einlassöffnung (136) stromaufwärts von der Auslassöffnung (138) angeordnet ist, sodass eine Druckdifferenz zwischen der Einlassöffnung (136) und der Auslassöffnung (138) erzeugt wird, wobei sich die Einlassöffnung (136) bei einem relativ höheren Druck als die Auslassöffnung (138) befindet.
System nach Anspruch 1, wobei ein ringförmiger Kanal (128) um das Rad (116) herum ausgebildet ist.
System nach Anspruch 4, wobei: der Einlasspfad (132) mit einem Eingang in den ringförmigen Kanal (128) in Verbindung steht; und der Auslasskanal (134) mit einem Ausgang aus dem ringförmigen Kanal (128) in Verbindung steht.
System nach Anspruch 1, wobei: der Einlasspfad (132) aufweist: einen axialen Einlasskanal (346), der sich durch den Innenbereich des Rotors (310) erstreckt; und einen stromabwärts befindlichen radialen Einlasskanal (350), der den Außenbereich des Rotors (310) mit dem axialen Einlasskanal (346) verbindet; einen stromaufwärts befindlichen radialen Einlasskanal (352), der den axialen Einlasskanal (346) mit dem Rad (316) verbindet; der Auslasspfad (134) aufweist: einen axialen Auslasskanal (348), der sich durch den Innenbereich des Rotors (310) erstreckt; einen stromaufwärts befindlichen radialen Auslasskanal (354), der das Rad (316) mit dem axialen Auslasskanal (348) verbindet; und einen stromabwärts befindlichen radialen Auslasskanal (356), der den axialen Auslasskanal (348) mit dem Außenbereich des Rotors (110) verbindet.
System nach Anspruch 6, wobei: ein ringförmiger Kanal (328) um das Rad (316) herum ausgebildet ist; und der ringförmige Kanal (328) sich in Umfangsrichtung um das Rad (316) zwischen dem stromaufwärts befindlichen radialen Einlasskanal (352) und dem stromaufwärts befindlichen radialen Auslasskanal (354) erstreckt.
System nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine axiale Bohrung (340), die sich im Wesentlichen entlang einer Längsachse (312) des Rotors (310) erstreckt; und ein Rohr (363), das in der axialen Bohrung (340) angeordnet ist, wobei ein Innenbereich des Rohres (363) einen Abschnitt des Einlasspfades (132) definiert und ein Zwischenraum zwischen dem Rohr (363) und der axialen Bohrung (340) einen Abschnitt des Auslasspfades (134) definiert.
System nach Anspruch 8, wobei: die axiale Bohrung (340) im Wesentlichen zylindrisch ist; das Rohr (363) im Wesentlichen zylindrisch ist, wobei ein Durchmesser des Rohres (363) relativ kleiner als ein Durchmesser der axialen Bohrung (340) ist; und das Rohr (363) konzentrisch in der axialen Bohrung (340) montiert ist.
System zum Kühlen eines Befestigungsbereiches (122) einer Dampfturbine (100), wobei das System aufweist: einen ringförmigen Kanal (128), der sich in Umfangsrichtung um den Befestigungsbereich (122) eines Rotors (110) herum erstreckt; und einen internen Kühlkreis (102), der durch einen Innenbereich des Rotors (110) ausgebildet ist, wobei sich der interne Kühlkreis (102) von einer Einlassöffnung (136) durch den ringförmigen Kanal (128) hindurch zu einer Auslassöffnung (138) erstreckt.