-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich zum Beispiel auf eine Gasturbine, in der Kraftstoff Hochtemperatur-Druckluft zugeführt und verbrannt wird und das generierte Brenngas einer Turbine zugeführt wird, um Rotationskraft zu erzeugen.
-
Stand der Technik
-
Eine herkömmliche Gasturbine besteht aus einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine. Der Kompressor komprimiert durch einen Lufteinlass aufgenommene Luft, um die Luft in Hochtemperatur-Druckluft zu überführen. Die Brennkammer führt Kraftstoff dieser komprimierten Luft zu und verbrennt den Kraftstoff, um Hochtemperatur-Hochdruckbrenngas zu erzeugen. Die Turbine wird durch dieses Brenngas angetrieben und treibt einen Generator, der koaxial mit der Turbine gekoppelt ist, an.
-
Die Turbine einer solchen Gasturbine hat Vielzahlen von Leitschaufeln und Schaufeln, die im Inneren eines Gehäuses abwechselnd entlang der Strömungsrichtung des Brenngases installiert sind, und das Brenngas, das in der Brennkammer erzeugt wird, tritt durch die Vielzahlen von Leitschaufeln und Schaufeln hindurch und treibt dabei den Rotor drehend an, der wiederum den Generator, der mit diesem Rotor gekoppelt ist, antreibt.
-
Ein Raum, der durch eine äußere Abdeckung [„shroud”] und eine innere Abdeckung umgeben ist, die einen Teil der Leitschaufeln, Schaufelplattformen und Ringsegmente bilden, bildet einen Brenngas-Strömungsdurchgang (Gaspfad), in dem die Leitschaufeln und die Schaufeln angeordnet sind und durch den Hochtemperatur-Brenngas strömt. Die Schaufelplattformen sind in einer Ringform um die Rotationsachse herum montiert, während die Leitschaufeln und die Ringsegmente in einer Ringform um die Rotationsachse angeordnet sind und an der Gehäuseseite durch Hitzeschildringe und einen Schaufelring gelagert sind.
-
Der Schaufelring ist in Hälften um den Rotor herum unterteilt und in einer Ringform angeordnet. Die Hitzeschildringe sind an der inneren Umfangsseite des Schaufelrings angeordnet und durch den Schaufelring gelagert. Die Leitschaufeln und die Ringsegmente sind an der radial inneren Seite der Hitzeschildringe angeordnet und durch die Hitzeschildringe gelagert.
-
Die Turbine hat eine Struktur, so dass der Spalt zwischen der Spitze der Schaufel und der inneren Umfangsoberfläche des Ringsegments so weit wie möglich reduziert ist, ohne Interferenzen dazwischen zu verursachen, um einen Spaltstrom von Brenngas zu vermeiden und um eine Verschlechterung der Gasturbinenleistung zu verhindern.
-
Kühlluft (bzw. Kühlungsluft), die von einer Zwischenstufe des Kompressors extrahiert wird, wird dem Turbinengehäuse zugeführt, und die Kühlluft wird durch den Schaufelring den Leitschaufeln und den Ringsegmenten zugeführt, um die Komponenten um den Schaufelring herum (die Ringsegmente, die Hitzeschildringe, etc.) vor hitzebedingtem Schaden aufgrund des Brenngases zu schützen. Da die Kühlluft abschließend in das Brenngas, das durch den Gaspfad strömt, ausgetragen wird, wird typischerweise Zapfluft mit relativ hohem Druck als Kühlluft verwendet.
-
Beispiele einer solchen Gasturbine beinhalten die eine in Patentschrift 1 beschriebene.
-
Patentschrift
-
- Patentschrift 1: offengelegtes Japanisches Patent Nr. 7-54669
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Technische Probleme
-
Bei der Turbine der oben beschriebenen herkömmlichen Gasturbine erstreckt sich zum Beispiel während eines Warmstarts ein Spitzenabschnitt von jeder Schaufel in Richtung der radial äußeren Seite, wenn die Schaufel sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht, während sich die Komponenten um den Schaufelring herum an der Gehäuseseite zeitweise in Richtung der radial inneren Seite durch Kühlung mit Niedrigtemperatur-Kühlluft zusammenziehen. In diesem Fall tritt während der Zeit nach dem Start der Gasturbine, bis sie einen Nennbetrieb erreicht, ein Klemmpunkt [„pinch point”] (minimaler Spalt) auf, bei dem sich der Spalt zwischen der Spitze der Schaufel und der inneren Wandoberfläche des Ringsegments, das einen Teil des Gaspfads bildet, zeitweise verringert. Es ist daher nötig, einen vorbestimmten Spalt sicherzustellen, so dass die Spitze der Schaufel und die innere Wandoberfläche des Ringsegments selbst an dem Klemmpunkt nicht miteinander in Kontakt kommen. Demgegenüber wird, wenn die Gasturbine den stationären Betrieb erreicht, der Spalt zwischen der Spitze der Schaufel und der inneren Wandoberfläche des Ringsegments übermäßig groß, so dass sich die Antriebskraft-Gewinnungseffizienz der Turbine verringert und sich die Leistung der Gasturbine selbst verschlechtert.
-
Darüber hinaus ist es bei der in Patentschrift 1 beschriebenen Turbine schwierig, da Zapfluft mit einer relativ hohen Temperatur von dem Kompressor dem Schaufelring zugeführt wird, den Schaufelring und die Komponenten um den Schaufelring herum in ausreichendem Maße zu kühlen, und der oben erwähnte Spalt kann nur in einem begrenzten Ausmaß reduziert werden. Um die Temperatur der Zapfluft zu verringern, ist es nötig, die Zapfluft zu kühlen, aber ein Kühlen der Zapfluft, führt zu Wärmeverlust, der eine Verschlechterung der Gasturbinenleistung verursacht.
-
Erdacht, um obige Probleme zu lösen, zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, eine Gasturbine vorzusehen, in der eine geeignete Spaltgröße zwischen der Turbinengehäuseseite und den Schaufeln sichergestellt wird, um die Leistung zu verbessern.
-
Lösung der Probleme
-
Eine Gasturbine der vorliegenden Erfindung zum Erreichen der obigen Aufgabe umfasst: einen Kompressor, der Luft komprimiert, eine Brennkammer, die durch den Kompressor komprimierte Luft und Kraftstoff mischt und den Kraftstoff verbrennt, eine Turbine, die Rotationskraft aus Brenngas, das durch die Brennkammer generiert wird, erzeugt, und eine Rotationswelle, die durch das Brenngas zur Drehung um eine Rotationsachse angetrieben wird, wobei die Turbine aufweist: ein Turbinengehäuse, das eine Ringform um die Rotationsachse herum bildet, einen Schaufelring, der eine Ringform um die Rotationsachse herum bildet, und der an dem inneren Umfang des Turbinengehäuses so gelagert ist, dass er einen ringförmigen ersten Hohlraum definiert, eine Vielzahl von Hitzeschildringen, die eine Ringform um die Rotationsachse herum bilden, und die an dem inneren Umfang des Schaufelrings in vorbestimmten Intervallen in der axialen Richtung gelagert sind, eine Vielzahl von Ringsegmenten, die eine Ringform um die Rotationsachse herum bilden, und die an dem inneren Umfang der Vielzahl von Hitzeschildringen gelagert sind, eine Vielzahl von Schaufelkörpern, die an dem äußeren Umfang der Rotationswelle in vorbestimmten Intervallen in der axialen Richtung befestigt sind, und die so angeordnet sind, dass sie den Ringsegmenten radial zugewandt sind, eine Vielzahl von Leitschaufelkörpern, von denen eine Abdeckung, die eine Ringform um die Rotationsachse herum bildet, zwischen der Vielzahl von Schaufelkörpern an den benachbarten Hitzeschildringen so befestigt ist, dass ein ringförmiger zweiter Hohlraum definiert ist, einen zweiten Kühlluft-Zuführkanal, der einen Teil der durch den Kompressor komprimierten Luft dem zweiten Hohlraum zuführt, einen ersten Kühlluft-Zuführkanal, der Kühlluft mit einer geringeren Temperatur als die durch den Kompressor komprimierte Luft, dem ersten Hohlraum zuführt, und einen Kühlluft-Austragkanal, der die Kühlluft von dem ersten Hohlraum austrägt.
-
Entsprechend wird ein Teil der komprimierten Luft von dem Kompressor extrahiert und die extrahierte, komprimierte Luft wird durch den zweiten Kühlluft-Zuführkanal dem zweiten Hohlraum zugeführt, während Kühlluft mit einer niedrigeren Temperatur als diese komprimierte Luft durch den ersten Kühlluft-Zuführkanal dem ersten Hohlraum zugeführt wird, und die Kühlluft von dem ersten Hohlraum durch den Kühlluft-Austragkanal ausgetragen wird. Somit verlagern sich, wenn die Hitzeschildringe durch die komprimierte Luft von dem Kompressor gekühlt werden, und der Schaufelring durch die Kühlluft von der radial inneren Seite und äußeren Seite gekühlt wird, der Schaufelring und die Hitzeschildringe nicht signifikant unter der Wärme des Brenngases. Daher kann eine Verringerung der Antriebskraft-Gewinnungseffizienz der Turbine vermieden werden und die Gasturbinenleistung durch Sicherstellung einer geeigneten Spaltgröße zwischen dem Ringsegment und der Schaufel verbessert werden.
-
Eine Gasturbine der vorliegenden Erfindung umfasst einen Kompressor, der Luft komprimiert, eine Brennkammer, die durch den Kompressor komprimierte Luft und Kraftstoff mischt und den Kraftstoff verbrennt, eine Turbine, die Rotationskraft aus Brenngas, das durch die Brennkammer generiert wird, erzeugt, und eine Rotationswelle, die durch das Brenngas zur Drehung um eine Rotationsachse angetrieben wird, wobei die Turbine aufweist: ein Turbinengehäuse, das eine Ringform um die Rotationsachse herum bildet, einen Schaufelring, der eine Ringform um die Rotationsachse herum bildet, und der an dem inneren Umfang des Turbinengehäuses so gekoppelt ist, dass er einen ringförmigen ersten Hohlraum definiert, eine Vielzahl von Hitzeschildringen, die eine Ringform um die Rotationsachse herum bilden, und die an dem inneren Umfang des Schaufelrings in vorbestimmten Intervallen in der axialen Richtung gekoppelt sind, eine Vielzahl von Ringsegmenten, die eine Ringform um die Rotationsachse herum bilden, und die an dem inneren Umfang der Vielzahl von Hitzeschildringen gekoppelt sind, eine Vielzahl von Schaufelkörpern, die an dem äußeren Umfang der Rotationswelle in vorbestimmten Intervallen in der axialen Richtung befestigt sind, und die so angeordnet sind, dass sie den Ringsegmenten radial zugewandt sind, eine Vielzahl von Leitschaufelkörpern, von denen eine Abdeckung, die eine Ringform um die Rotationsachse bildet, zwischen der Vielzahl von Schaufelkörpern an den benachbarten Hitzeschildringen so befestigt ist, dass sie einen ringförmigen zweiten Hohlraum definiert, einen zweiten Kühlluft-Zuführkanal, der einen Teil der durch den Kompressor komprimierten Luft dem zweiten Hohlraum zuführt, einen Kühlluftströmungs-Durchgang, der im Inneren des Schaufelrings vorgesehen ist und von dem ein Ende mit dem ersten Hohlraum kommuniziert, einen ersten Kühlluft-Zuführkanal, der Kühlluft mit einer geringeren Temperatur als die durch den Kompressor komprimierte Luft dem anderen Ende des Kühlluftströmungs-Durchgangs oder dem ersten Hohlraum zuführt, und einen Kühlluft-Austragkanal, der die Kühlluft von dem jeweils anderen von dem anderen Ende des Kühlluftströmungs-Durchgangs und dem ersten Hohlraum austrägt.
-
Dementsprechend wird, da der Kühlluftströmungs-Durchgang im Inneren des Schaufelrings vorgesehen ist, der Schaufelring weiter gekühlt, was es einfacher macht, den Spalt zwischen der Spitze der Schaufel und dem Ringsegment zu steuern.
-
Bei der Gasturbine der vorliegenden Erfindung ist ein Hitzeisolierungselement/Hitzeschildelement an der inneren Umfangsoberfläche des Schaufelrings vorgesehen.
-
Dementsprechend kann, da Wärmeeintrag von dem zweiten Hohlraum in den Schaufelring hinein durch das Hitzeisolierungselement/Hitzeschildelement geblockt wird, der Schaufelring weiter gekühlt werden.
-
Bei der Gasturbine der vorliegenden Erfindung weist der Kühlluftströmungs-Durchgang eine Vielzahl von Verteilern, die in vorbestimmten Intervallen in der axialen Richtung der Rotationswelle angeordnet sind, und Kopplungspfade, die die Vielzahl von Verteilern in Reihe koppeln, auf.
-
Dementsprechend kann, da Kühlluft zwischen der Vielzahl von Verteilern durch die Kopplungspfade im Inneren des Schaufelrings strömt, der Schaufelring effizient gekühlt werden.
-
Bei der vorliegenden Erfindung hat der Schaufelring einen zylindrischen Teil, der sich entlang der axialen Richtung der Rotationswelle erstreckt, und einen ersten Außenumfangs-Flansch und einen zweiten Außenumfangs-Flansch, die jeweils an beiden Enden des zylindrischen Teils vorgesehen sind, die Vielzahl von Verteilern sind als Hohlräume in dem ersten Außenumfangs-Flansch und dem zweiten Außenumfangs-Flansch ausgebildet und die Kopplungspfade sind als eine Vielzahl von Kommunikationslöchern in dem zylindrischen Teil ausgebildet.
-
Dementsprechend strömt Kühlluft zwischen der Vielzahl von Verteilern durch die Vielzahl von Kommunikationslöchern, die als Kopplungspfade dienen, und der Schaufelring kann, wenn die Kühlluft durch das Innere des Schaufelrings strömt, effizient gekühlt werden.
-
Bei der Gasturbine der vorliegenden Erfindung führt der erste Kühlluft-Zuführkanal Atmosphärenluft, die mittels eines Gebläses angesaugt wird, zu.
-
Dementsprechend kann, da der erste Kühlluft-Zuführkanal Atmosphärenluft zuführt, die Kühlluft einfach zugeführt werden und den Schaufelring in einer einfachen Konfiguration kühlen.
-
Bei der Gasturbine der vorliegenden Erfindung ist der Hitzeschildring aus einem Material mit einer höheren thermischen Ausdehnungsrate als der Schaufelring gebildet.
-
Dementsprechend kann, da der Hitzeschildring durch das Brenngas erhitzt wird und sich thermisch ausdehnt, der Spalt zwischen dem Ringsegment und der Schaufel auf einen kleinen Betrag eingestellt sein.
-
Bei der Gasturbine der vorliegenden Erfindung weist der erste Kühlluft-Zuführkanal eine Heizvorrichtung auf, die die Kühlluft heizt.
-
Dementsprechend kann der Spalt zwischen der Spitze der Schaufel und des Ringsegments während einer Phase vom Start der Gasturbine, bis sie einen Nennlastbetrieb erreicht, so reduziert werden, dass eine Verschlechterung der Gasturbinenleistung vermieden werden kann.
-
Bei der Gasturbine der vorliegenden Erfindung führt der Kühlluft-Austragkanal die Kühlluft, die von dem ersten Hohlraum ausgetragen wird, in ein Abgaskühlsystem ein.
-
Dementsprechend kann die Kühlluft durch Einführen der Kühlluft, die den Schaufelring gekühlt hat, durch den Kühlluft-Austragkanal in das Abgaskühlsystem hinein, effektiv genutzt werden.
-
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
-
Gemäß der Gasturbine der vorliegenden Erfindung wird die Kühlluft mit einer niedrigeren Temperatur als die Kühlluft, die dem zweiten Hohlraum, der an der inneren Seite des Schaufelrings definiert ist, zugeführt wird, dem ersten Hohlraum, der an der äußeren Seite des Schaufelrings definiert ist, zugeführt. Da der Schaufelring während der Phase vom Start der Gasturbine, bis sie den Nennbetrieb erreicht, in Kontakt mit der Niedertemperaturkühlluft bleibt, verlagert sich der Schaufelring selbst nicht signifikant. Dementsprechend kann durch die Möglichkeit, den Spalt zwischen dem Ringsegment und der Schaufel während eines Nennbetriebs auf einen angemessenen Betrag einzustellen, eine Verringerung der Antriebskraft-Gewinnungseffizienz der Turbine vermieden werden und die Gasturbinenleistung verbessert werden.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine Schnittansicht, die die Umgebung einer Brennkammer in einer Gasturbine einer Ausführungsform darstellt.
-
2 ist eine Schnittansicht, die die Umgebung eines Schaufelrings einer Turbine darstellt.
-
3 ist eine Schnittansicht, die die Umgebung eines Schaufelrings einer Turbine eines modifizierten Beispiels der Ausführungsform darstellt.
-
4 ist eine Ansicht eines ersten Kühlluft-Zuführkanals, die ein modifiziertes Beispiel der Ausführungsform darstellt.
-
5 ist ein Graph, der das Verhalten eines Spalts zwischen Bestandselementen der Turbine während eines Warmstarts der Gasturbine darstellt.
-
6 ist ein Graph, der das Verhalten des Spalts zwischen den Bestandselementen der Turbine während eines Kaltstarts der Gasturbine darstellt.
-
7 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration der Gasturbine darstellt.
-
Beschreibung der Ausführungsform
-
Im Folgenden wird eine zu bevorzugende Ausführungsform einer Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht durch diese Ausführungsform begrenzt, und wenn es eine Vielzahl von Ausführungsformen gibt, umfasst die vorliegende Erfindung ebenfalls Konfigurationen, die die Ausführungsformen kombinieren.
-
7 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration der Gasturbine dieser Ausführungsform darstellt.
-
Wie in 7 dargestellt, ist die Gasturbine dieser Ausführungsform aus einem Kompressor 11, einer Brennkammer 12 und einer Turbine 13 gebildet. Diese Gasturbine kann elektrische Energie mit einem Generator (nicht dargestellt), der koaxial daran gekoppelt ist, erzeugen.
-
Der Kompressor 11 hat einen Lufteinlass 20, durch den Luft eingetragen wird. Im Inneren eines Kompressorgehäuses 21 ist eine Einlassleitschaufel (IGV) 22 installiert und eine Vielzahl von Leitschaufeln 23 und eine Vielzahl von Schaufeln 24 sind abwechselnd in einer Strömungsrichtung (die axiale Richtung eines Rotors 22 wird später beschrieben) installiert, und eine Zapfluftkammer 25 ist an der äußeren Seite des Kompressorgehäuses 21 vorgesehen. Dieser Kompressor 11 komprimiert Luft, die durch den Lufteinlass 20 eingetragen wird, um die Luft in Hochtemperatur-Druckluft umzusetzen.
-
Die Brennkammer 12 führt der Hochtemperatur-Druckluft, die in dem Kompressor 11 komprimiert wird, Kraftstoff zu und verbrennt den Kraftstoff, um Brenngas zu erzeugen. Die Turbine 13 hat eine Vielzahl von Leitschaufeln 27 und eine Vielzahl von Schaufeln 28, die in der Strömungsrichtung des Brenngases (die axiale Richtung des Rotors 32 wird später beschrieben) im Inneren eines Turbinengehäuses 26 abwechselnd installiert sind. An der stromabwärtigen Seite dieses Turbinengehäuses 26 ist eine Abgaskammer 30 durch ein Abgasgehäuse 29 installiert, und die Abgaskammer 30 hat einen Abgasdiffusor 31, der mit der Turbine 13 verbunden ist. Diese Turbine wird durch Brenngas von der Brennkammer 12 angetrieben und treibt den koaxial mit der Turbine gekoppelten Generator an.
-
Der Rotor (Drehwelle) 32 ist durch den Kompressor 11, die Brennkammer 12 und die Turbine 13 so angeordnet, dass er einen Mittelteil der Abgaskammer 30 durchdringt. Ein Ende des Rotors 32 an der Seite des Kompressors 11 ist drehbar durch ein Lager 33 gelagert, und das andere Ende an der Seite der Abgaskammer 30 ist drehbar durch ein Lager 34 gelagert. In dem Kompressor 11 sind eine Vielzahl von Scheiben, jede mit den daran montierten Schaufeln 24, an dem Rotor 32 aneinander gesetzt und befestigt, und in der Turbine 13 sind eine Vielzahl von Scheiben jede mit den daran montierten Schaufeln 28, an dem Rotor 32 aneinander gesetzt und befestigt, und die Drehwelle des Generators ist mit dem Ende des Rotors 32 an der Seite der Abgaskammer 30 gekoppelt.
-
Bei dieser Gasturbine ist das Kompressorgehäuse 21 des Kompressors 11 durch ein Bein 35 gelagert, das Turbinengehäuse 26 der Turbine 13 ist durch ein Bein 36 gelagert, und die Abgaskammer 30 ist durch ein Bein 37 gelagert.
-
Dementsprechend wird die in den Kompressor 11 durch den Lufteinlass 20 eingetragene Luft komprimiert und durch Durchtritt durch die Einlassleitschaufel 22 und die Vielzahlen von Leitschaufeln 23 und Schaufeln 24 in Hochtemperatur-Druckluft umgesetzt. In der Brennkammer 12 wird ein vorbestimmter Kraftstoff zugeführt und in dieser komprimierten Luft verbrannt. In der Turbine 13 tritt Hochtemperatur-Hochdruckbrenngas G, das in der Brennkammer 12 erzeugt wird, durch die Vielzahlen von Leitschaufeln 27 und Schaufeln 28 der Turbine 13 durch und treibt dadurch den Rotor 32 drehend an, der wiederum den mit dem Rotor 32 gekoppelten Generator antreibt. Das Brenngas wird, nachdem seine kinetische Energie durch den Abgasdiffusor 31 der Abgaskammer 30 in Druck umgewandelt wurde, in die Atmosphäre abgegeben.
-
Bei der so konfigurierten Gasturbine ist der Spalt zwischen der Spitze jeder Schaufel 28 und der Seite des Turbinengehäuses 26 in der Turbine 13 ein Spalt, der die thermische Streckung der Schaufeln 28, des Turbinengehäuses 26 etc. berücksichtigt, und es ist wünschenswert, dass der Spalt zwischen der Spitze jeder Schaufel 28 und der Seite des Turbinengehäuses 26 in der Turbine 13 von dem Blickpunkt einer Verringerung der Antriebskraft-Gewinnungseffizienz der Turbine 13 aus, so klein wie möglich ist und somit letztlich die Leistungsverschlechterung der Gasturbine selbst.
-
Bei dieser Ausführungsform ist daher der anfängliche Spalt zwischen der Spitze der Schaufel 28 und der Seite des Turbinengehäuses 26 vergrößert, und die Seite des Turbinengehäuses 26 wird angemessen gekühlt, so dass der Spalt zwischen der Spitze der Schaufel 28 und der Seite des Turbinengehäuses 26 während eines stationären Betriebs reduziert werden kann, um eine Verschlechterung der Antriebskraft-Gewinnungseffizienz der Turbine 13 zu verhindern.
-
1 ist eine Schnittansicht, die die Umgebung der Brennkammer in der Gasturbine dieser Ausführungsform darstellt, und 2 ist eine Schnittansicht, die die Umgebung eines Schaufelrings der Turbine darstellt.
-
Wie in 1 und 2 dargestellt, hat in der Turbine 13 das Turbinengehäuse 26 eine zylindrische Form, und das Abgasgehäuse 29, das eine zylindrische Form hat, ist mit dem Turbinengehäuse 26 an der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Brenngases G gekoppelt. Dieses Abgasgehäuse 29 ist mit der Abgaskammer 30 (Abgasdiffusor 31), die eine zylindrische Form hat, an der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Brenngases G versehen, und die Abgaskammer 30 ist mit einem Abgaskanal (nicht dargestellt) an der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Brenngases G versehen.
-
Innenumfangs-Flansche 42a, 42b sind integral an dem inneren Umfang des Turbinengehäuses 26 in einem vorbestimmten Intervall an Vorder- und Rückseiten in der Strömungsrichtung des Brenngases G ausgebildet, und ein Schaufelring 43, der die Form eines Rings, der in Hälften unterteilt ist, um den Rotor 32 herum bildet, ist an dem radial inneren Umfang dieser Innenumfangs-Flansche 42a, 42b befestigt. Dieser Schaufelring 43 ist mit Bolzen bzw. Schrauben an seinen Trennbereichen in der Umfangsrichtung befestigt, um eine zylindrische Struktur zu bilden. Der Schaufelring 43 hat einen zylindrischen Teil 44a, der sich entlang der Strömungsrichtung des Brenngases G (die axiale Richtung des Rotors 32) erstreckt, und einen ersten Außenumfangs-Flansch 44b und einen zweiten Außenumfangs-Flansch 44c, die jeweils an den Enden des zylindrischen Teils 44a an der axialen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seite vorgesehen sind.
-
Der Schaufelring 43 hat Eingriffsabschnitte 45a, 45b, die integral entlang der Umfangsrichtung an seinem inneren Umfang an der radial inneren Seite in einem vorbestimmten Intervall an den Vorder- und Rückseiten in der Strömungsrichtung des Brenngases G ausgebildet sind. Ein erster Hitzeschildring 46 ist durch den Eingriffsabschnitt 45a von dem inneren Umfang des Schaufelrings 43 gelagert, und ein zweiter Hitzeschildring 47 ist durch den Eingriffsabschnitt 45b von dem inneren Umfang des Schaufelrings 43 gelagert. Diese Hitzeschildringe 46, 47 bilden eine Ringform um den Rotor 32 herum. Ein erstes Ringsegment 49 ist an dem inneren Umfang des ersten Hitzeschildrings 46 durch Eingriffsabschnitte 48a, 48b gelagert, und ein zweites Ringsegment 51 ist an dem inneren Umfang des zweiten Hitzeschildrings 47 durch Eingriffsabschnitte 50a, 50b gelagert.
-
Die Hitzeschildringe 46, 47, die Leitschaufeln 28, 29 und die Ringsegmente 49, 51 sind in eine Vielzahl von Teilen in der Umfangsrichtung unterteilt und sind in einer Ringform angeordnet, während ein bestimmter Spalt beibehalten wird.
-
Der Rotor 32 (siehe 7) hat eine Vielzahl von Scheiben 52, die integral mit seinem äußeren Umfang gekoppelt sind, und ist drehbar an dem Turbinengehäuse 26 durch das Lager 34 (siehe 7) gelagert.
-
Eine Vielzahl von Leitschaufelkörpern 53 und eine Vielzahl von Schaufelkörpern 54 sind an der radial inneren Seite des Schaufelrings 43 entlang der Strömungsrichtung des Brenngases G abwechselnd installiert. Die Leitschaufelkörper 53 weisen die Vielzahl von Leitschaufeln 27, die in gleichmäßigen Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet sind, auf. An der radial inneren Seite sind die Leitschaufeln 27 an einer inneren Abdeckung 55 befestigt, die eine Ringform um den Rotor 32 herum bildet, und an der radial äußeren Seite sind die Leitschaufeln 27 an einer äußeren Abdeckung 56 befestigt, die eine Ringform um den Rotor 32 herum bildet. Die Leitschaufelkörper 53 haben die äußere Abdeckung 56, die an den Hitzeschildringen 46, 47 durch Eingriffsabschnitte 57a, 57b gelagert ist.
-
Die Schaufelkörper 54 haben die Vielzahl von Schaufeln 28, die in gleichmäßigen Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet sind, und die Basisenden der Schaufeln 28 sind an dem äußeren Umfang der Scheibe 52 befestigt. Ein Spitzenabschnitt der Schaufel 28 erstreckt sich in Richtung der Ringsegmente 49, 51, die an der radial äußeren Seite so angeordnet sind, dass sie der Schaufel 28 zugewandt sind. In diesem Fall ist ein vorbestimmter Spalt zwischen der Spitze jeder Schaufel 28 und der inneren Umfangsoberfläche der Ringsegmente 49, 51 sichergestellt.
-
In der Turbine 13 ist ein Gaspfad 58, der eine Ringform um den Rotor 32 herum bildet und durch den das Brenngas G strömt, zwischen den Ringsegmenten 49, 51 und der äußeren Abdeckung 56 an einer Seite und der inneren Abdeckung 55 an der anderen Seite gebildet. In diesem Gaspfad 58 sind die Vielzahl von Leitschaufelkörpern 53 und die Vielzahl von Schaufelkörpern 54 entlang der Strömungsrichtung des Brenngases G abwechselnd installiert.
-
Die Vielzahl von Brennkammern 12 sind an der radial äußeren Seite des Rotors 32 in vorbestimmten Intervallen entlang der Umfangsrichtung angeordnet und sind an dem Turbinengehäuse 26 durch ein Brennkammerlagerelement 38 gelagert. Diese Brennkammern 12 führen Kraftstoff Hochtemperatur-Druckluft, die in dem Kompressor 11 komprimiert wird, zu und verbrennen den Kraftstoff, um das Brenngas G zu generieren. Auslässe 14 (Übergangsstücke) der Brennkammern 12 sind mit dem Gaspfad 58 gekoppelt.
-
In der Turbine 13 ist der Schaufelring 43 mit den Innenumfangs-Flanschen 42a, 42b des Turbinengehäuses 26 durch den ersten Außenumfangs-Flansch 44b und den zweiten Außenumfangs-Flansch 44c gekoppelt. Folglich ist ein erster Hohlraum 61 definiert, der benachbart zu der radial äußeren Oberfläche des Schaufelrings 43 ist, der durch die radial innere Umfangsoberfläche des Turbinengehäuses 26 und der radial äußeren Umfangsoberfläche des Schaufelrings umgeben ist und in einer Ringform um den Rotor 32 herum angeordnet ist. In der Turbine 13 sind die Ringsegmente 49, 51 an dem inneren Umfang des Schaufelrings 43 durch die Hitzeschildringe 46, 47 befestigt, und die äußere Abdeckung 56 der Leitschaufelkörper 53 ist zwischen den Hitzeschildringen 46, 47 in der axialen Richtung des Rotors 32 befestigt. Folglich ist ein zweiter Hohlraum 62 definiert, der benachbart zu der radial inneren Umfangsoberfläche des Schaufelrings 43 ist, der durch die radial innere Umfangsoberfläche des Schaufelrings 43 und die radial äußere Umfangsoberfläche des Ringsegments 56 umgeben ist, und der in einer Ringform um den Rotor 32 herum angeordnet ist.
-
Wie in 2 dargestellt, ist, während der erste Außenumfangs-Flansch 44b an dem Innenumfangs-Flansch 42a des Turbinengehäuses 26 in der axialen Richtung des Rotors 32 befestigt ist, der Schaufelring 43 in der radialen Richtung verschiebbar. Während der Innenumfangs-Flansch 42b gegen den zweiten Außenumfangs-Flansch 44c durch ein Dichtungselement 82 stößt, ist der Innenumfangs-Flansch 42b in der radialen Richtung verschiebbar. Somit macht es diese Struktur möglich, eine Lücke zwischen dem ersten Hohlraum 61 und dem Raum an der axial stromabwärtigen Seite abzudichten, während Verlagerungen in der axialen und radialen Richtung des Turbinengehäuses 26 und des Schaufelrings 43 absorbiert werden. Aufgrund einer solchen Struktur ist der Schaufelring 43 durch das Turbinengehäuse 26 nicht daran gehindert, sich in der radialen Richtung zu verlagern.
-
Die Turbine 13 ist mit einem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 im Inneren des Schaufelrings 43 versehen. Dieser Kühlluftströmungs-Durchgang 63 hat eine Vielzahl von (in dieser Ausführungsform zwei) Verteilern 64, 65, die in einem vorbestimmten Intervall in der Strömungsrichtung des Brenngases G (die axiale Richtung des Rotors 32) angeordnet sind und in einer Ringform um den Rotor 32 herum ausgebildet sind, und Kopplungspfade 66, die in Reihe mit der Vielzahl von Verteilern 64, 65 in der axialen Richtung des Rotors 32 angeordnet sind und die mit den Verteilern 64, 64 an beiden Enden gekoppelt sind.
-
Insbesondere sind als der Kühlluftströmungs-Durchgang 63, der erste Verteiler 64, der als ein Hohlraum in dem ersten Außenumfangs-Flansch 44b ausgebildet ist, und der zweite Verteiler 65, der als ein Hohlraum in dem zweiten Außenumfangs-Flansch 44c ausgebildet ist, vorgesehen. Die Verteiler 64, 65 bilden jeweils eine Ringform um den Rotor 32 herum, und dieser erste Verteiler 64 und dieser zweite Verteiler 65 sind miteinander durch die Kopplungspfade 66, die als eine Vielzahl von Kommunikationslöchern in dem zylindrischen Teil 44a ausgebildet sind, gekoppelt. Die Vielzahl von Kommunikationslöchern, die die Kopplungspfade 66 bilden, sind in gleichmäßigen Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet. In einer Schnittansicht des Rotors 32 in der axialen Richtung können die Kopplungspfade 66 in einer einzelnen Reihe oder einer Vielzahl von Reihen in der radialen Richtung angeordnet sein.
-
Die Turbine 13 ist mit einem ersten Kühlluft-Zuführkanal 71, der Kühlluft A1 von der äußeren Seite des Turbinengehäuses 26 dem ersten Hohlraum 61 oder dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zuführt, und einem Kühlluft-Austragkanal 72, der die Kühlluft A1 von dem ersten Hohlraum 61 oder dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 austrägt, versehen. Der Kühlluftströmungs-Durchgang 63 hat ein Ende 63a, das mit dem ersten Hohlraum 61 kommuniziert, und das andere Ende 63b, das mit dem ersten Kühlluft-Zuführkanal 71 gekoppelt ist. Der erste Kühlluft-Zuführkanal 71 ist ein Rohr 71a, das das Turbinengehäuse 26 von der äußeren Seite durchdringt und ist mit einem Nebenhohlraum 71b an dem vorderen Ende, das mit dem Schaufelring 43 verbunden ist, versehen. Der Nebenhohlraum 71b hat eine ringförmige Form in der Umfangsrichtung und kommuniziert mit dem einen Ende 63a des Kühlluftströmungs-Durchgangs 63. Das Basisende des ersten Kühlluft-Zuführkanals 71 an der radial gegenüberliegenden Seite von dem vorderen Ende erstreckt sich zu der äußeren Seite der Turbine 13 (Turbinengehäuse 26), und ein Lüfter (Gebläse) 73 ist an dem stromaufwärtigen Ende des Rohrs 71a montiert. Der Kühlluft-Austragkanal 72 ist auch ein Rohr 72a, das das Turbinengehäuse 26 von der äußeren Seite des Turbinengehäuses 26 durchdringt, und das vordere Ende des Rohrs 72a kommuniziert mit dem ersten Hohlraum 61. Das Rohr 71a ist mit einem Balg 71c [„bellows”] zwischen dem Schaufelring 43 und dem Turbinengehäuse 26 versehen. Obwohl nicht dargestellt, ist das Rohr 72a auch mit einem Balg zwischen dem Schaufelring 43 und dem Turbinengehäuse 20 versehen. Die Bälge 71a, 72a fungieren, um Differenzen in der thermischen Streckung hauptsächlich in der axialen Richtung zu absorbieren.
-
Die Turbine 13 ist ferner mit einem zweiten Kühlluft-Zuführkanal 74, der Kühlluft A2 dem zweiten Hohlraum 62 zuführt, versehen. Das Basisende von diesem zweiten Kühlluft-Zuführkanal 74 ist mit der Zapfluftkammer 25 (siehe 7) in bzw. an einer Zwischenstufe (einer Zwischendruckstufe oder einer Hochdruckstufe) des Kompressors 11 gekoppelt, und das vordere Ende kommuniziert mit dem zweiten Hohlraum 62. Der zweite Kühlluft-Zuführkanal 74 ist ein Rohr 74a, das das Turbinengehäuse 26 von der äußeren Seite des Turbinengehäuses 26 durchdringt, und dieses Rohr 74a ist mit einem Balg 74c zwischen dem Schaufelring 43 und dem Turbinengehäuse 20, versehen. Die Funktion des Balgs 74c ist die gleiche wie die des Balgs 71a.
-
In diesem Fall führt der zweite Kühlluft-Zuführkanal 74 einen Teil der von dem Kompressor 11 komprimierten Luft als die Kühlluft A2 dem zweiten Hohlraum 62 zu. Die Kühlluft A2 wird zum Kühlen hauptsächlich um die Leitschaufeln herum verwendet. Da die Kühlluft A2 abschließend in das Brenngas G, das durch den Gaspfad 58 strömt, ausgetragen wird, ist ein relativ hoher Druck wie der von Zapfluft nötig. Demgegenüber führt der erste Kühlluft-Zuführkanal 71 externe Luft mittels des Lüfters 73 als die Kühlluft A1 dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zu. In diesem Fall ist es nötig, dass der erste Kühlluft-Zuführkanal 71 die Kühlluft A1, die eine niedrigere Temperatur hat als die Kühlluft A2, die dem zweiten Hohlraum 62 zugeführt wird, dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zuführt.
-
Das heißt, es ist wünschenswert, um den Spalt zwischen der inneren Umfangsoberfläche des Ringsegments 49 und der Spitze der Schaufel 28 zu reduzieren, den Schaufelring 43 auf einer so niedrigen Temperatur wie möglich zu halten, und es ist mehr zu bevorzugen, dass der erste Kühlluft-Zuführkanal 71 die Kühlluft A1, die Atmosphärenluft A ist, die mittels des Lüfters 73 angesaugt wird, dem ersten Hohlraum 61 oder dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zuführt. Jedoch kann der erste Kühlluft-Zuführkanal 71 die komprimierte Luft, die von einer Niederdruckstufe des Kompressors 11 extrahiert wird, als die Kühlluft A1 mit einem niedrigeren Druck als der zweite Kühlluft-Zuführkanal 74, dem ersten Hohlraum 61 oder dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zuführen. In diesem Fall ist es auch zu bevorzugen, dass die Luft von einer Niederdruckstufe bei einer niedrigen Temperatur extrahiert wird, in der Zapfluft eine Temperatur näher an einer Atmosphärentemperatur hat.
-
Der Kühlluft-Austragkanal 72 führt die Kühlluft A1, die von dem ersten Hohlraum 61 in ein Abgaskühlsystem 75 hinein ausgetragen wird, ein. Dieses Abgaskühlsystem 75 ist zum Beispiel der Abgasdiffusor 31, der in der Abgaskammer 30 vorgesehen ist.
-
In dem Abgaskammerdiffusor 31 kühlt die Kühlluft, die dem Abgaskühlsystem 75 zugeführt wird, Streben 35 und das Lager 34, und wird anschließend in das Brenngas, das im Inneren des Abgaskammerdiffusors 31 strömt, ausgetragen und hat einen negativen Druck, bevor es seinen Druck wiederherstellt. Die Kühlluft A1, die durch den Lüfter 73 unter Druck gesetzt wird und der Turbine 13 zugeführt wird, kühlt um den Schaufelring 43 herum und wird anschließend über den Austragluftzuführkanal 72 dem Abgaskammerdiffusor 31 zugeführt, um das Innere davon zu kühlen. Somit wird die Kühlluft A1 wiederverwendet und eine effektive Nutzung der Kühlluft wird erreicht.
-
Da die wiederverwendete Kühlluft A1 bei einem negativen Druck im Inneren des Abgaskammerdiffusors 31 in das Brenngas ausgetragen wird, kann der Austragdruck des Lüfters 73, der die Atmosphärenluft A ansaugt, ein relativ geringer Druck sein. Dementsprechend fällt, verglichen mit dem Fall, in welchem Zapfluft des Kompressors 11 als die Kühlluft A1 verwendet wird, bei dem Verfahren, das die Kühlluft A1 mittels des Lüfters 73 nutzt, weniger Energieverlust an, so dass eine Verschlechterung der Gasturbinenleistung vermieden werden kann.
-
Die Turbine 13 ist mit einem Hitzeschildelement 81 an der inneren Umfangsoberfläche des Schaufelrings 43 an der Seite des zweiten Hohlraums 62 vorgesehen. Das Hitzeschildelement 81 ist in eine Vielzahl von Teilen in der Umfangsrichtung so unterteilt, dass es eine Ringform bildet, und die radial innere Umfangsoberfläche des Schaufelrings 43 abdeckt.
-
Das Brennkammerlagerelement 38, das mit dem ersten Außenumfangs-Flansch 44b des Schaufelrings 43 an der stromaufwärtigen Seite in der axialen Richtung des Rotors 32 in Kontakt ist, fungiert als das Hitzeschildelement 81, das Wärmeeintrag von der Seite der Brennkammer 12 in den Schaufelring 43 hinein blockiert.
-
Die Hitzeschildringe 46, 47 sind aus einem Material mit einer höheren thermischen Ausdehnungsrate (thermischer Ausdehnungskoeffizient) als der Schaufelring 43 gebildet. Zum Beispiel sind die Hitzeschildringe 46, 47 aus einem austentischen Edelstahl (SUS310S) gebildet, während der Schaufelring 43 aus einem zwölfprozentigen Chromstahl gebildet ist.
-
Unterschiede zu der herkömmlichen Technologie bei dem Verfahren des Kühlens um den Schaufelring 43 herum werden insbesondere unten beschrieben. Wie oben beschrieben, hat der Schaufelring 43 die radial äußere Umfangsoberfläche in Kontakt mit dem ersten Hohlraum 61 und die radial innere Umfangsoberfläche in Kontakt mit dem zweiten Hohlraum 62. Die Ringsegmente 49, 51, die in Kontakt mit dem Gaspfad 58 sind, in welchem das Brenngas G strömt, sind durch die Hitzeschildringe 46, 47 gelagert, und die Hitzeschildringe 46, 47 sind durch den Schaufelring 43 gelagert.
-
Wenn dem ersten Hohlraum 61 die Kühlluft A1, die durch den Lüfter 73 unter Druck gesetzt wird, zugeführt wird, und dem zweiten Hohlraum 62 die Kühlluft A2, die von dem Kompressor 11 extrahiert wird, zugeführt wird, ist die Temperatur des Schaufelrings 43 eine Zwischentemperatur zwischen der Temperatur der Kühlluft A1, die dem ersten Hohlraum 61 zugeführt wird, und der Temperatur der Kühlluft A2, die dem zweiten Hohlraum 62 zugeführt wird. Das heißt, Wärmeintrag von dem Brenngas G, das durch den Gaspfad 58 strömt, wird von den Ringsegmenten 49, 51 durch die Hitzeschildringe 46, 47 zu dem Schaufelring 43 übertragen. Jedoch ist der Schaufelring 43 selbst nicht in Kontakt mit dem Brenngas. Daher wird die Temperatur des Schaufelrings 43 durch die Temperatur der Kühlluft A1 des ersten Hohlraums 61 und der Kühlluft A2 des zweiten Hohlraums 62 dominiert, wobei der Schaufelring 43 mit beiden davon in direktem Kontakt ist, während der Einfluss des Wärmeeintrags, der von dem Brenngas G durch die Ringsegmente 49, 51 und den Hitzeschildringen 46, 47 übertragen wird, geringer ist.
-
Demgegenüber sind die Ringsegmente 49, 51 der Wärme des Brenngases G von dem Gaspfad 58 ausgesetzt. Dementsprechend erreichen, obwohl die Ringsegmente 49, 51 und die Hitzeschildringe 46, 47 nicht in Kontakt mit dem zweiten Hohlraum 62 sind und durch die Kühlluft A2 gekühlt werden, eine hohe Temperatur verglichen mit dem Schaufelring 43.
-
Daher verlagert sich unter der Annahme, dass sich die Last der Gasturbine erhöht und sich die Temperatur des Brenngases G erhöht, der Schaufelring 43 in Richtung der radial äußeren Seite, während die Ringsegmente 49, 51 und die Hitzeschildringe 46, 47, die von der inneren Umfangsoberfläche des Schaufelrings 43 in Richtung der radial inneren Seite gelagert sind, sich in Richtung der radial inneren Seite relativ zu dem Schaufelring 43 verlagern. Folglich ist, wenn von der Mitte des Rotors 32 betrachtet, der Betrag der Verlagerung des Ringsegmentes 49, 51 in Richtung der radial äußeren Seite kleiner, als der Betrag der Verlagerung des Schaufelrings 43 in Richtung der radial äußeren Seite. Demgegenüber erhöhen, verglichen mit dem Schaufelring 43, die Ringsegmente 49, 51 und die Hitzeschildringe 46, 47 ihre Temperatur unter thermischem Einfluss der Seite des Brenngases G wie oben beschrieben. Dementsprechend wird der Betrag der Verlagerung der inneren Umfangsoberfläche der Ringsegmente 49, 51 in Richtung der radial äußeren Seite noch kleiner.
-
Im Falle der Struktur der Turbine 13 dieser Ausführungsform ist die Temperatur der Kühlluft A1, die durch den ersten Hohlraum 61 strömt, niedriger eingestellt als die Temperatur der Kühlluft A2, die durch den zweiten Hohlraum 62 strömt. Dementsprechend tritt ein Unterschied bei thermischer Ausdehnung in der radialen Richtung zwischen dem Schaufelring 43 auf der einen Seite und den Schaufelringen 49, 51 und den Hitzeschildringen 46, 47 auf der anderen Seite aufgrund der Temperaturdifferenz auf, so dass der Betrag der Verlagerung der inneren Umfangsoberfläche der Ringsegmente 49, 51 in Richtung der radial äußeren Seite kleiner ist als der Betrag der Verlagerung des Schaufelrings 43 in Richtung der radial äußeren Seite. Das heißt, wenn die Temperatur der Kühlluft A1, die dem ersten Hohlraum 61 zugeführt wird, und die Temperatur der Kühlluft A2, die dem zweiten Hohlraum 62 zugeführt wird, voneinander abweichen, und der Schaufelring 43 eine niedrige Temperatur beibehält, wird es einfacher, den Spalt zwischen der Spitze der Schaufel und dem Ringsegment zu steuern, so dass eine geeignete Spaltgröße während eines Nennbetriebs aufrechterhalten wird und die Gasturbinenleistung verbessert wird.
-
Der Schaufelring 43 kann ferner mit dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 versehen sein. Wenn der Kühlluftströmungs-Durchgang 63 im Inneren des Schaufelrings 43 vorgesehen ist und die Kühlluft A1 dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zugeführt wird, kann der Schaufelring 43 eine noch tiefere Temperatur beibehalten. Das heißt, während des Betriebs der Gasturbine wird Atmosphärenluft A als die Kühlluft A1 mittels des Lüfters 73 durch den ersten Kühlluft-Zuführkanal 71 dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zugeführt, und die Kühlluft A1 wird von diesem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 dem ersten Hohlraum 61 zugeführt. Das heißt, in dem Schaufelring 43 wird die Kühlluft A1 dem zweiten Verteiler 65 zugeführt und strömt durch die Kopplungspfade 66, um dem ersten Verteiler 64 und dann dem ersten Hohlraum 61 zugeführt zu werden. Dementsprechend ist, wenn der Schaufelring 43 durch die Kühlluft A1, die im Inneren zirkuliert, und die Kühlluft A1, die der äußeren Seite (erster Hohlraum 61) zugeführt wird, gekühlt wird, der Schaufelring 43 daran gehindert, eine hohe Temperatur zu erreichen. In diesem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 erhöht, da die Pfadquerschnittsfläche des Kopplungspfads 66 kleiner ist als die Pfadquerschnittsfläche der Verteiler 64, 65, die Kühlluft die Strömungsgeschwindigkeit, während sie durch den Kopplungspfad 66 hindurchtritt, so dass der Schaufelring 43 effektiv gekühlt wird.
-
In diesem Fall kann, da die Kühlluft A1 dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 im Inneren des Schaufelrings 43 zugeführt wird, die Temperatur des Schaufelrings 43 eine noch niedrigere Temperatur beibehalten, als in der oben beschriebenen Ausführungsform, in der die äußere Umfangsoberfläche und die innere Umfangsoberfläche des Schaufelrings 43 ohne den Kühlluftströmungs-Durchgang 63 vorgesehen sind. Dementsprechend wird die Verlagerung des Schaufelrings 43 in Richtung der radial äußeren Seite noch kleiner, was es einfacher macht, den Spalt zwischen der Spitze der Schaufel und dem Ringsegment zu steuern.
-
Demgegenüber ist ein Teil der komprimierten Luft, die von dem Kompressor 11 extrahiert wird, als die Kühlluft A2 durch den zweiten Kühlluft-Zuführkanal 74 dem zweiten Hohlraum 62 zugeführt. Diese Kühlluft A2 tritt dann durch die Leitschaufeln 27 und das Innere der Abdeckungen 55, 56 der Leitschaufelkörper 53 hindurch und wird zu dem Gaspfad 58 von einem Scheibenhohlraum (nicht dargestellt) ausgetragen und kühlt dabei die Leitschaufelkörper 53.
-
Da der Schaufelring 43 mit dem Hitzeschildelement 81 an seiner radial inneren Umfangsoberfläche an der Seite des zweiten Hohlraums 62 vorgesehen ist, wird der Schaufelring 43 kaum der Wärme der Kühlluft A2, die dem zweiten Hohlraum 62 zugeführt wird, ausgesetzt, und wird daher daran gehindert, eine hohe Temperatur zu erreichen. Das heißt, wie oben beschrieben wird, während die Temperatur des Schaufelrings 43 eine Zwischentemperatur zwischen der Temperatur der Kühlluft A1, die im Inneren des ersten Hohlraums 61 strömt, und der Temperatur der Kühlluft A2, die im Inneren des zweiten Hohlraums 62 strömt, beibehält, wenn das Hitzeschildelement 81 an der inneren Umfangsoberfläche des Schaufelrings 43 vorgesehen ist, wird Wärmeeintrag von der Seite des zweiten Hohlraums 62 blockiert, so dass die Temperatur des Schaufelrings 43 sich der Temperatur der Kühlluft A1 in dem ersten Hohlraum 61 annähert. Dementsprechend ist es einfacher, den Spalt zwischen der Spitze der Schaufel 28 und den Ringsegmenten 49, 51 zu steuern.
-
In der obigen Ausführungsform wird die Kühlluft A1 durch den ersten Kühlluft-Zuführkanal 71 dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zugeführt und von dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 dem ersten Hohlraum 61 zugeführt, um die Schaufel 43 zu kühlen. Darüber hinaus wird die Kühlluft A1 des ersten Hohlraums 61, die den Schaufelring 43 gekühlt hat, durch den Kühlluft-Austragkanal 72 dem Abgaskühlsystem 75 der Turbine 13 zugeführt. Jedoch kann der Strom der Kühlluft A1 umgekehrt werden.
-
3 ist eine Querschnittansicht der Umgebung eines Schaufelrings einer Turbine, die ein modifiziertes Beispiel der Ausführungsform darstellt. Wie in 3 dargestellt, wird die Atmosphärenluft A mittels des Lüfters 73 als die Kühlluft A1 durch den ersten Kühlluft-Zuführkanal 71 dem ersten Hohlraum 61 zugeführt, und die Kühlluft A1 wird von dem ersten Hohlraum 61 dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zugeführt. Das heißt, in dem Schaufelring 43 wird die Kühlluft A1 dem ersten Hohlraum 61 zugeführt, von diesem ersten Hohlraum 61 dem ersten Verteiler 64 zugeführt und durch die Kopplungspfade 66 dem zweiten Verteiler 65 zugeführt. Bei dieser Ausführungsform wird auch, da der Schaufelring 43 durch die Kühlluft A1, die im Inneren strömt, und die Kühlluft A1, die der radial äußeren Seite (erster Hohlraum 61) zugeführt wird, gekühlt wird, der Schaufelring 43 daran gehindert, eine hohe Temperatur zu erreichen. Dann wird die Kühlluft A1, die den Schaufelring 43 gekühlt hat, von dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 durch den Kühlluft-Austragkanal 72 dem Abgaskühlsystem 75 der Turbine 13 zugeführt.
-
In 3 kann das andere Ende 63b des Kühlluftströmungs-Durchgangs 63 mit dem ersten Hohlraum 61 kommunizieren, und jeweils der erste Kühlluft-Zuführkanal 71 oder der Kühlluft-Austragkanal 72 kann mit dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 gekoppelt sein, während der andere mit dem ersten Hohlraum 61 kommunizieren kann.
-
4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel des ersten Kühlluft-Zuführkanals 71 zeigt, der eine weitere Modifikation der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform und des in 3 dargestellten modifizierten Beispiels ist. Wie in 4 dargestellt, ist der erste Kühlluft-Zuführkanal 71 mit einer Heizvorrichtung 76, die die Kühlluft A1 heizt, an der Leitungsstrecke vor dem Punkt der Verbindung mit dem Turbinengehäuse 26 an der stromabwärtigen Seite des Lüfters 73 versehen. Als ein Heizmedium 77 kann Verbrennungsabgas, das von der Gasturbine ausgetragen wird, Gehäuseluft an dem Kompressorauslass, Abgasdampf von einer GTCC, etc. genutzt werden.
-
Normalerweise nimmt der erste Kühlluft-Zuführkanal 71 die Atmosphärenluft A auf und führt die Atmosphärenluft A als Niedertemperaturkühlluft der Gasturbine zu, ohne sie aufzuheizen. Jedoch kann, während eines Starts der Gasturbine das Heizmedium 77 der Heizvorrichtung 76 zugeführt werden, um die Kühlluft A1 zu heizen. Wenn die Kühlluft A1 geheizt wird, steigt die Temperatur des Schaufelrings 43 an, und der Spalt zwischen der Schaufelspitze und des Ringsegments kann während eines Starts der Gasturbine vergrößert werden, so dass der Klemmpunkt, der während eines Starts wahrscheinlich auftritt, zuverlässig vermieden werden kann.
-
Die radiale Verlagerung von Bestandselementen der Turbine 13 während des Starts der Gasturbine wird nun beschrieben.
-
5 ist ein Graph, der das Verhalten des Spalts zwischen den Bestandselementen der Turbine während eines Warmstarts der Gasturbine darstellt, und 6 ist eine Ansicht, die das Verhalten des Spalts zwischen den Bestandselementen der Turbine während eines Kaltstarts der Gasturbine darstellt.
-
Bei dem Warmstart einer herkömmlichen Gasturbine, wie in 1 und 5 dargestellt, erhöht sich, wenn eine Gasturbine 1 zu einer Zeit t1 gestartet wird, die Geschwindigkeit des Rotors 32, und die Geschwindigkeit des Rotors 32 erreicht eine Nenngeschwindigkeit zu einer Zeit t2 und wird konstant beibehalten. Der Kompressor 11 nimmt Luft durch den Lufteinlass 20 auf, und wenn die Luft durch den Durchtritt durch die Vielzahlen von Leitschaufeln 23 und Schaufeln 24 komprimiert wird, wird Hochtemperatur-Druckluft generiert. Die Brennkammer 12 wird, bevor die Geschwindigkeit des Rotors 32 die Nenngeschwindigkeit erreicht, gezündet und führt der komprimierten Luft Kraftstoff zu und verbrennt den Kraftstoff, um Hochtemperatur-Hochdruckbrenngas zu generieren. In der Turbine 13 tritt das Brenngas durch die Vielzahlen von Leitschaufeln 27 und Schaufeln 28 hindurch, wodurch der Rotor 32 drehend angetrieben wird. Folglich wird die Last (Ausgabe) der Gasturbine zu einer Zeit t3 erhöht und erreicht eine Nennlast (Nennausgabe) zu einer Zeit t4 und behält diese konstant bei.
-
Während eines solchen Warmstarts der Gasturbine verlagern (strecken) sich die Schaufeln 28 in Richtung der radial äußeren Seite, wenn sie bei einer hohen Geschwindigkeit rotieren, und verlagern (strecken) sich dann weiter in Richtung der äußeren Seite dadurch, dass sie der Wärme des Hochtemperatur-Hochdruckbrenngases G ausgesetzt werden, das durch den Gaspfad 58 hindurchtritt. Demgegenüber ist, während der Schaufelring 43 direkt nach dem Stopp eine hohe Temperatur hat, für eine bestimmte Zeit unmittelbar nach dem Start der Gasturbine 1 die Niedertemperaturzapfluft (Kühlluft A2) von dem Kompressor 11 dem Schaufelring 43 zugeführt, und der Schaufelring 43 wird zeitweise gekühlt. Folglich verlagert (kontrahiert) sich der Schaufelring 43 zeitweise in Richtung der radial inneren Seite, und dann, wenn die Temperatur der Zapfluft von dem Kompressor 11 ansteigt und sich der Kühleffekt der Zapfluft an dem Schaufelring verringert, verlagert (streckt) sich der Schaufelring 43 wieder in Richtung der äußeren Seite.
-
In diesem Fall verlagern sich bei der herkömmlichen Gasturbine die Ringsegmente und die Hitzeschildringe, wie durch die gepunktete Linie in 5 angedeutet, durch zeitweise Kühlung mit der Niedertemperaturzapfluft im Bereich der Zeit t2 in Richtung der inneren Seite, so dass der Klemmpunkt (minimaler Spalt) auftritt, bei dem sich der Spalt zwischen der Spitze der Schaufel und der inneren Umfangsoberfläche des Ringsegments zeitweise signifikant verringert. Danach werden die Ringsegmente, die Hitzeschildringe und der Schaufelring durch das Hochtemperatur-Hochdruckbrenngas und die Zapfluft erhitzt und verlagern sich (strecken sich) in Richtung der äußeren Seite. Während eines Nennbetriebs nach der Zeit t4, wenn sich die Ringsegmente, die Hitzeschildringe, und der Schaufelring signifikant in Richtung der äußeren Seite verlagern, vergrößert sich dann der Spalt zwischen der Spitze der Schaufel und der inneren Umfangsoberfläche des Schaufelrings übermäßig.
-
Im Gegensatz dazu verringert sich bei der Gasturbine dieser Ausführungsform, obwohl sich die Ringsegmente 49, 51 wie durch die durchgezogene Linie in 5 angedeutet, in Richtung der inneren Seite verlagern, wenn die Ringsegmente 49, 51, die Hitzeschildringe 46, 47, und der Schaufelring 43 mit der Niedertemperaturkühlluft (die Kühlluft A1 und die Kühlluft A2) zu der Zeit t2 gekühlt werden, der Spalt zwischen der Spitze der Schaufel 28 und der inneren Umfangsoberfläche der Ringsegmente 49, 51 nicht so viel wie bei der herkömmlichen Struktur, da ein großer Spalt zwischen der Spitze der Schaufel 28 und der inneren Umfangsoberfläche der Ringsegmente 49, 51 vor dem Start der Gasturbine sichergestellt ist. Während eines Nennbetriebs nach der Zeit t4 wird der Schaufelring 43 dann durch die Kühlluft (Kühlluft A1), die von dem ersten Hohlraum 61 und dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 zugeführt wird, gekühlt, während Wärmeeintrag von der komprimierten Luft des zweiten Hohlraums 62 durch das Hitzeschildelement 81 vermieden wird. Folglich wird, obwohl sich der Schaufelring 43 leicht in Richtung der äußeren Seite verlagert, der Spalt zwischen der Spitze der Schaufel 28 und der inneren Umfangsoberfläche der Ringsegmente 49, 51 oder der inneren Umfangsoberfläche des Hitzeschildelements 81 nicht so groß wie bei der herkömmlichen Struktur.
-
Wie in 1 und 6 dargestellt, ist es, während eines Kaltstarts der Gasturbine, da sich die Ringsegmente nicht in Richtung der radial inneren Seite verlagern verglichen mit während eines Warmstarts, noch weniger wahrscheinlich, dass der Klemmpunkt auftritt als während eines Warmstarts.
-
Somit umfasst die Gasturbine dieser Ausführungsform den Kompressor 11, die Brennkammern 12, und die Turbine 13. Die Turbine 13 ist aus dem Turbinengehäuse 26, dem Rotor 32, der in einem Mittelteil des Turbinengehäuses 26 drehbar gelagert ist, dem Schaufelring 43, der an der radial inneren Umfangsfläche des Turbinengehäuses 26 gelagert ist und dem ringförmigen ersten Hohlraum 61 definiert, der Niedertemperaturkühlluft aufnimmt, der Vielzahl von Schaufelkörpern 54, die an dem äußeren Umfang des Rotors 32 in vorbestimmten Intervallen in der axialen Richtung befestigt angeordnet sind, und der Vielzahl von Leitschaufelkörpern 53, die abwechselnd zwischen der Vielzahl von Schaufelkörpern 54 in der axialen Richtung des Rotors angeordnet sind, und die den ringförmigen zweiten Hohlraum 62 aufweisen, der an der radial äußeren Umfangsseite ausgebildet ist, gebildet. Der Schaufelring 43 umfasst die Vielzahl von Hitzeschildringen 46, 47, die an dem radial inneren Umfang des Schaufelrings 43 in einem vorbestimmten Intervall in der axialen Richtung gelagert sind, und die Vielzahl von Ringsegmenten 49, 51, die an dem radial inneren Umfang der Vielzahl von Hitzeschildringen 46, 47 gelagert sind. Darüber hinaus ist die Turbine 13 mit dem Kühlluft-Austragkanal 72, der Kühlluft von dem ersten Hohlraum 61 austrägt und den zweiten Kühlluft-Zuführkanal 74, der komprimierte Luft dem zweiten Hohlraum 62 zuführt, versehen.
-
Dementsprechend wird ein Teil der komprimierten Luft von dem Kompressor 11 extrahiert, und die extrahierte komprimierte Luft wird als die Kühlluft A2 durch den zweiten Kühlluft-Zuführkanal 74 dem zweiten Hohlraum 62 zugeführt, während die Kühlluft A1 durch den ersten Kühlluft-Zuführkanal 71 dem ersten Hohlraum 61 zugeführt wird, und die Kühlluft A1 aus dem ersten Hohlraum 61 durch den Kühlluft-Austragkanal 72 ausgetragen wird. Das heißt, wenn die Kühlluft A1 mit einer geringeren Temperatur als die Kühlluft A2 dem ersten Hohlraum 61 zugeführt wird, kann die radiale Verlagerung des Schaufelrings und die radiale Verlagerung der Ringsegmente 49, 51 vermieden werden. Folglich kann eine Verringerung der Antriebskraftgewinnungseffizienz der Turbine 13 vermieden und die Leistung der Gasturbine durch Beibehalten einer geeigneten Spaltgröße zwischen den Ringsegmenten 49, 51 und der Schaufel 28 verbessert werden.
-
Bei der Gasturbine dieser Ausführungsform ist das Hitzeisolationselement/Hitzeschildelement 81 an der inneren Umfangsoberfläche des Schaufelrings 43 vorgesehen. Dementsprechend wird, da Wärmeeintrag von dem zweiten Hohlraum 62 in den Schaufelring 43 hinein durch das Hitzeschildelement 81 blockiert wird, der Schaufelring 43 daran gehindert, eine hohe Temperatur zu erreichen.
-
Bei der Gasturbine dieser Ausführungsform sind als der Kühlluftströmungs-Durchgang 63 die Vielzahl von Verteilern 64, 65, die in vorbestimmten Intervallen in der axialen Richtung des Rotors 32 angeordnet sind, und die Kopplungspfade 66, die die Vielzahl von Verteilern 64, 65 in Reihe koppeln, vorgesehen. Dementsprechend kann, wenn die Kühlluft A1 zwischen der Vielzahl von Verteilern 64, 65 durch die Kopplungspfade 66 im Inneren des Schaufelrings 43 strömt, der Schaufelring 43 effizient gekühlt werden.
-
Bei der Gasturbine dieser Ausführungsform ist, als der Schaufelring 43, der zylindrische Teil 44a entlang der axialen Richtung des Rotors 32 und der erste Außenumfangs-Flansch 44b und der zweite Außenumfangs-Flansch 44c, die jeweils an den Enden des zylindrischen Teil 44a an der axial stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seite vorgesehen sind, vorgesehen, und die Vielzahl von Verteilern 64, 65 sind als Hohlräume in dem ersten Außenumfangs-Flansch 44b und dem zweiten Außenumfangs-Flansch 44c ausgebildet. Zudem sind die Kopplungspfade 66 als die Vielzahl von Kommunikationslöchern in dem zylindrischen Teil 44a ausgebildet. Dementsprechend strömt die Kühlluft A1 durch die Kommunikationslöcher, die als die Kopplungspfade 66 zwischen der Vielzahl von Verteilern 64, 65 dienen, und wenn die Kühlluft A1 durch das Innere des Schaufelrings 43 strömt, kann der Schaufelring 43 effizient gekühlt werden.
-
Bei der Gasturbine dieser Ausführungsform führt der erste Kühlluft-Zuführkanal 71 die Atmosphärenluft A mittels des Lüfters 73 dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 und dem ersten Hohlraum 61 zu. Dementsprechend kann, wenn die Atmosphärenluft A dem Kühlluftströmungs-Durchgang 63 und dem ersten Hohlraum 61 zugeführt wird, der Schaufelring 43 mit der Kühlluft A1 in einer einfachen Konfiguration einfach gekühlt werden. Darüber hinaus kann, da Atmosphärenluft eingetragen wird und die Niedertemperatur Niederdruckkühlluft A1 dem ersten Hohlraum 61 mittels des Lüfters 73 zugeführt werden, eine niedrige Temperatur des Schaufelrings beibehalten werden, was es einfach macht, den Spalt der Ringsegmente zu steuern. Außerdem hat es dahingehend einen doppelten Vorteil, Niederdruckluft verwenden zu können, dass die Energie für den Lüfter reduziert werden kann und dass der Energieverlust der Gasturbine vermieden werden kann.
-
Bei der Gasturbine dieser Ausführungsform sind die Hitzeschildringe 46, 47 aus einem Material mit einer höheren thermischen Ausdehnungsrate als der Schaufelring 43 gebildet. Dementsprechend kann, da die Hitzeschildringe 46, 47 durch das Brenngas G erhitzt werden und sich thermisch ausdehnen, der Spalt zwischen den Ringsegmenten 49, 51 und der Schaufel 28 während eines Nennbetriebs der Gasturbine auf einen kleinen Betrag eingestellt werden.
-
Bei der Gasturbine dieser Ausführungsform kann, da die Heizvorrichtung 76 in dem ersten Kühlluft-Zuführkanal 71 vorgesehen ist, das Auftreten des Klemmpunktes während des Starts der Gasturbine zuverlässig verhindert werden.
-
Bei der Gasturbine dieser Ausführungsform führt der Kühlluft-Austragkanal 72 die Kühlluft A1, die von dem ersten Hohlraum 61 in das Abgaskühlsystem 75 ausgetragen wird, ein, und die Kühlluft A1 wird in das Brenngas mit einem negativen Druck in den Abgasdiffusor 31 ausgetragen. Dementsprechend wird, da die Kühlluft A1, die den Schaufelring 43 gekühlt hat, durch den Kühlluft-Austragkanal 72 in das Abgaskühlsystem 75 eingeführt wird, die Kühlluft A1 wiederverwendet, und eine effektive Nutzung der Kühlluft A1 kann erreicht werden. Da die Kühlluft A1 mit einem negativen Druck in das Brenngas ausgetragen wird, muss der Austragdruck des Lüfters 73 nicht hoch sein.
-
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Kühlluftströmungs-Durchgang 63 durch Bildung der Vielzahl von Verteilern 64, 65 und der Kopplungspfade 66 im Inneren des Schaufelrings 43 gebildet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Konfiguration begrenzt. Das heißt, die Formen, die Zahlen, die Positionen der Ausbildung etc. der Verteiler 64, 65 können gemäß den Formen und den Positionen der Schaufel 28 und des Schaufelrings 43 geeignet eingestellt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 11
- Kompressor
- 12
- Brennkammer
- 13
- Turbine
- 26
- Turbinengehäuse
- 27
- Leitschaufel
- 28
- Schaufel
- 32
- Rotor (drehende Welle)
- 43
- Schaufelring
- 44a
- zylindrischer Teil
- 44b
- erster Außenumfangs-Flansch
- 44c
- zweiter Außenumfangs-Flansch
- 46, 47
- Hitzeschildring
- 49, 51
- Ringsegment
- 53
- Leitschaufelkörper
- 54
- Schaufelkörper
- 56
- äußere Abdeckung
- 58
- Gaspfad
- 61
- erster Hohlraum
- 62
- zweiter Hohlraum
- 63
- Kühlluftströmungs-Durchgang
- 64
- erster Verteiler
- 65
- zweiter Verteiler
- 66
- Kopplungspfad
- 71
- erster Kühlluft-Zuführkanal
- 72
- Kühlluft-Austragkanal
- 73
- Lüfter (Gebläse)
- 74
- zweiter Kühlluft-Zuführkanal
- 75
- Abgaskühlsystem
- 76
- Heizvorrichtung
- 77
- Heizmedium
- 81
- Hitzeschildelement
- 82
- Dichtelement
- A
- Atmosphärenluft
- A1, A2
- Kühlluft
- C
- Rotationsachse
