DE112015006289B4

DE112015006289B4 - Turbine

Info

Publication number: DE112015006289B4
Application number: DE112015006289.0T
Authority: DE
Inventors: Asako Inomata; Iwataro Sato; Hideyuki Maeda; Satoru Sekine; Kazutaka Tsuruta; Takeo Suga
Original assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: WO2016143103A1; DE112015006289T5; JPWO2016143103A1; US10550698B2; US20160376890A1

Abstract

Turbine (10), aufweisend:einen Turbinenrotor (40) mit einem Rotorhauptkörper (41) umfassend einen hohlen Teil (42), in den ein Kühlfluid strömt, und eine Vielzahl von Rotorrädern (46), die in einer Axialrichtung des Rotorhauptkörpers (41) angeordnet sind und von dem Rotorhauptkörper (41) hervorstehen; undeine Vielzahl von Laufschaufelreihen (50), die jeweils an dem entsprechenden Rotorrad (46) gelagert sind, wobei die Laufschaufelreihe (50) von einem Arbeitsfluid angetrieben wird, das durch eine Strömungspassage für Arbeitsfluid strömt, wobeieine Vielzahl Kühlfluid-einleitender Passagen (60), die sich von dem hohlen Teil (42) in einer sich mit der Axialrichtung des Rotorhauptkörpers (41) überschneidenden Richtung erstreckt, in dem Rotorhauptkörper (41) gebildet ist, um es dem Arbeitsfluid in dem hohlen Teil (42) zu erlauben, durch die Kühlfluid-einleitende Passage (60) zu strömen und dann um das Rotorrad (46) zu strömen, um an die Strömungspassage für Arbeitsfluid geleitet zu werden,wobei die Kühlfluid-einleitenden Passagen (60) eine erste Kühlfluid-einleitende Passage und eine zweite Kühlfluid-einleitende Passage, die in Axialrichtung des Rotorhauptkörpers (41) stromab der ersten Kühlfluid-einleitenden Passage angeordnet ist, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dassein erster Stopfen (70a) zum Steuern der Strömungsrate, der eine Strömungsrate des durch die erste Kühlfluid-einleitende Passage strömenden Kühlfluids steuert, in der ersten Kühlfluid-einleitenden Passage bereitgestellt ist,ein zweiter Stopfen (70b) zum Steuern der Strömungsrate, der eine Strömungsrate des durch die zweite Kühlfluid-einleitende Passage strömenden Kühlfluids steuert, in der zweiten Kühlfluid-einleitenden Passage bereitgestellt ist,wobei der erste Stopfen (70a) und der zweite Stopfen (70b) jeweils einen zylindrischen Körper (71) besitzen, der eine Durchgangsöffnung (72) beinhaltet, durch die das Kühlfluid in dem hohlen Teil (42) strömt,wobei die Durchgangsöffnung (72) eine Öffnung großen Durchmessers (72a) und eine Öffnung kleinen Durchmessers (72b) beinhaltet, die einen Durchmesser besitzt, der kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung großen Durchmessers (72a),wobei die Länge (L2) der Öffnung kleinen Durchmessers (72b) in Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) des ersten Stopfens (70a) kürzer ist als die Länge (L2) der Öffnung kleinen Durchmessers (72b) in Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) des zweiten Stopfens (70b).

Description

GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Turbine.
HINTERGRUND
Eine Turbine umfasst einen Turbinenrotor und eine Vielzahl von Laufschaufelreihen, die an dem Turbinenrotor gelagert sind. Durch Rotieren der Laufschaufeln vermittels eines Arbeitsfluids wird der Turbinenrotor angetrieben. In den letzten Jahren erfolgten Ansätze dahingehend, eine Temperatur des Arbeitsfluids zu erhöhen, um eine Turbineneffizienz zu verbessern. Da das Arbeitsfluid eine höhere Temperatur besitzt, ist es erforderlich, dass einige Bauteile aus einer hitzebeständigen Legierung gefertigt sind.
Insbesondere soll in einem Teil des Turbinenrotors, der die Laufschaufeln lagert, d.h. einem Rotorrad, an dem eine hohe Belastung erzeugt wird, die Verringerung der durch eine hohe Temperatur erzeugten Stärke begrenzt werden, und es soll ebenfalls die Hitzebeständigkeit durch die hitzebeständige Legierung sichergestellt werden. Es wird eine Technik zum Kühlen des Rotorrads des Turbinenrotors vorgeschlagen, um die Verringerung der Stärke des Rotorrads zu begrenzen.
Wenn das Rotorrad durch ein Kühlfluid gekühlt wird, werden in dem Turbinenrotor gewöhnlicherweise eine Vielzahl von Kühlfluid-einführenden Passagen gebildet und das Rotorrad wird von einem Kühlfluid gekühlt, das durch die Kühlfluid-einführenden Passagen gelangt ist. Das Kühlfluid, das das Rotorrad gekühlt hat, mündet in ein Arbeitsfluid zum Antreiben der Laufschaufeln . Daher ist der Einfluss des Kühlfluids auf eine Temperatur des Arbeitsfluids, welches die Turbineneffizienz verringert höher, je höher die Strömungsrate des Kühlfluids ist.
Daher ist es erforderlich, dass die Strömungsrate des Kühlfluids auf ein Minimum gebracht wird in Abhängigkeit einer Strömungsrate des Arbeitsfluids und einer aus dem Turbinenrotor entnommenen Ausgabe. Jedoch ist viel Aufwand und Zeit nötig, um die Strömungsrate des Kühlfluids zu verändern, nachdem die Fluideinleitenden Passagen in dem Turbinenrotor gebildet wurden. Es ist nämlich erforderlich, dass die Turbine demontiert wird, um den Turbinenrotor zu entnehmen, und dann dass die in dem Turbinenrotor gebildeten, Kühlfuid-einleitenden Passagen erneut hergestellt werden.
Eine gattungsgemäße Turbine ist beispielsweise aus der JP 2013-19 284 A bekannt. Die DE 10 2009 003 321 A1 offenbart zur Verbesserung des Wirkungsgrads, insbesondere älterer Turbinen, bestehende Kühlfluidpassagen ganz oder zum Teil zu verstopfen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es die oben beschriebenen Nachteile zumindest zu vermindern und dabei die Rotorblätter zuverlässig zu kühlen.
Eine Turbine gemäß der Erfindung umfasst die Merkmale in Anspruch 1. Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die einen Gesamtaufbau eines Kraftwerks zeigt, in dem eine Turbine gemäß einer Ausführungsform installiert ist.
2 ist eine Längsschnittansicht der in 1 gezeigten Turbine.
3 ist eine Längsschnittansicht, die vergrößert einen in 2 gezeigten, von Strichpunktlinien umgebenen Bereich A zeigt.
4 ist eine Schnittansicht, die einen Schnitt eines Hauptkörpers eines Rotors entlang der in 3 gezeigten Linie IV-IV zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines in einer in 2 gezeigten, Fluid-einführenden Passage angeordneten Stopfens zum Steuern der Strömungsrate zeigt.
6 ist eine Schnittansicht des Stopfens zum Steuern der Strömungsrate entlang der in 5 gezeigten Linie VI-VI.
7 ist eine Längsschnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein Kühlfluid durch den Stopfen zum Steuern der Strömungsrate strömt, der in der in 3 dargestellten Kühlfluid-einleitenden Passage angeordnet ist.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die ein anderes Beispiel des in 5 gezeigten Stopfens zum Steuern der Strömungsrate zeigt.
9 ist eine Schnittansicht des Stopfens zum Steuern der Strömungsrate entlang der in 8 gezeigten Linie IX-IX.
10 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel des in 5 gezeigten Stopfens zum Steuern der Strömungsrate zeigt.
11 ist eine Längsschnittansicht, die ein anderes Beispiel zeigt, in dem der Stopfen zum Steuern der Strömungsrate in der in 8 gezeigten Fluidpassage bereitgestellt ist.
12 ist eine Längsschnittansicht, die noch ein anderes Beispiel zeigt, in dem der Stopfen zum Steuern der Strömungsrate in der in 8 gezeigten Kühlfluid-einleitenden Passage bereitgestellt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Turbine gemäß der Ausführungsform kann, da die Strömungsrate des durch die Kühlfluid-einleitende Passage strömenden Kühlfluids durch den Stopfen zum Steuern der Strömungsrate gesteuert werden kann, die Strömungsrate des Kühlfluids auf einfache Weise durch Ersetzen des Stopfens zum Steuern der Strömungsrate gesteuert werden, ohne den Rotor erneut zu fertigen.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den der Spezifikation beigefügten Zeichnungen sind eine Maßstabsgröße, ein Aspektverhältnis und dergleichen zur vereinfachten Darstellung und besserem Verständnis bezüglich den tatsächlichen verändert und übertrieben dargestellt. 1 bis 11 sind Ansichten zur Erläuterung der Ausführungsform. 1 ist eine schematische Ansicht, die einen Gesamtaufbau eines Kraftwerks 1 veranschaulicht, in dem eine Turbine 10 gemäß der Ausführungsform verbaut ist.
Das in 1 gezeigte Kraftwerk 1 ist ein Kraftwerk, das die Turbine 10 durch CO₂ hoher Temperatur und einen durch Verbrennen eines Kraftstoffs mit Sauerstoff erzeugten hohen Druck antreibt. Ein solches Kraftwerk kann Stromerzeugung und CO₂-Rückgewinnung durchführen, wodurch das Kraftwerk 1 kürzlich die Aufmerksamkeit als eine Technik zur CO₂-Emissionssteuerung auf sich zog.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Kraftwerk 1 eine Sauerstoff-produzierende Vorrichtung 2, die durch Entfernen von Stickstoff aus der Luft Sauerstoff extrahiert, einen Verbrenner 3, der ein Verbrennungsgas erzeugt und die Turbine 10, die durch das von dem Verbrenner 3 erzeugte und der Turbine 10 als ein Arbeitsfluid zugeführte Verbrennungsgas angetrieben wird.
Dem Verbrenner 3 wird der von der Sauerstoff-produzierenden Vorrichtung 2 extrahierte Sauerstoff zugeführt. Der Verbrenner 3 ist konfiguriert, das Verbrennungsgas durch Verbrennen von Sauerstoff mit einem Kraftstoff zu erzeugen. Der in dem Verbrenner 3 genutzte Kraftstoff kann beispielsweise stickstofffreies Erdgas sein, wie etwa Methangas. Da die Luft, aus der der Stickstoff entnommen wurde, das bedeutet, Sauerstoff für die Verbrennung des Kraftstoffs genutzt wird, enthält das in dem Verbrenner 3 erzeugte Verbrennungsgas CO₂-Gas und Dampf. Bestandteile des Verbrennungsgases sind CO₂ (Kohlendioxid) und Wasser. Daher kann der Einschluss eines Gases wie etwa SOx (Schwefeloxid) und NOx (Stickoxid) in dem Verbrennungsgas unterdrückt werden.
Der Verbrenner 3 ist konfiguriert, um ein Hochtemperatur-Verbrennungsgas zu erzeugen. Der Verbrenner 3 erzeugt bevorzugt ein Verbrennungsgas, das eine Temperatur von beispielsweise 600°C oder höher besitzt. Somit kann eine Stromerzeugungseffizienz verbessert werden, während eine Menge erzeugten Gases, wie etwa CO₂, unterdrückt werden kann. Der Verbrenner 3 wird von einem Rückgewinnungswärmetauscher 5, der untenstehend beschrieben wird, mit einem in dem Rückgewinnungswärmetauscher 5 erhitzten Rückgewinnungsgas (insbesondere CO₂-Gas, das bedeutet, einem Gas, das CO₂ als Bestandteil aufweist) gespeist. Der Kraftstoff wird mit dem zugeführten Rückgewinnungsgas verbrannt.
Das von dem Verbrenner 3 erzeugte Verbrennungsgas wird der Turbine 10 als ein Arbeitsfluid zugeführt, um die Turbine 10 anzutreiben. Ein Generator 4 ist mit der Turbine 10 verbunden. Durch Antreiben der Turbine 10 erzeugt der Generator 4 Strom.
Das Verbrennungsgas, das in der Turbine 10 gearbeitet hat, wird als ein Abgas aus der Turbine 10 abgeleitet. Das Abgas enthält CO₂-Gas und Dampf. Bestandteile des Abgases sind nämlich auch CO₂ und Wasser. Das Abgas wird dem an der Stromabwärtsseite der Turbine 10 bereitgestellten RückgewinnungsWärmetauscher 5 zugeführt. Der Rückgewinnungswärmetauscher 5 wird von einer CO₂-Pumpe (Verdichter) 8, die untenstehend beschrieben wird, mit einem Rückgewinnungsgas einer verhältnismäßig geringen Temperatur gespeist. Somit tauschen das Rückgewinnungsgas und das Abgas in dem Rückgewinnungswärmetauscher 5 Wärme miteinander, sodass das Abgas verhältnismäßig hoher Temperatur gekühlt wird.
An der Stromabwärtsseite des Rückgewinnungswärmetauschers 5 ist ein Kühler 6 bereitgestellt. Der Kühler 6 wird mit dem gekühlten Abgas des Rückgewinnungswärmetauschers 5 gespeist. Der Kühler 6 kühlt das Abgas weiter.
Ein Feuchtigkeitsabscheider 7 ist an der stromabwärtigen Seite des Kühlers 6 bereitgestellt. Der Feuchtigkeitsabscheider 7 wird mit dem von dem Kühler 6 gekühlten Abgas gespeist. Der Feuchtigkeitsabscheider 7 scheidet Feuchtigkeit in dem Abgas ab und entfernt diese. Somit wird Feuchtigkeit aus dem CO₂ und Wasser als Bestandteile enthaltenden Abgas entfernt, wodurch das Abgas rückgewonnen wird. Das Abgas wird nämlich als ein Rückgewinnungsgas wiedergewonnen, das ein Gas ist, das CO₂ als Bestandteil enthält.
Die CO₂-Pumpe 8 ist an der Stromabwärtsseite des Feuchtigkeitsabscheiders 7 bereitgestellt. Die CO₂-Pumpe 8 wird mit dem von dem Feuchtigkeitsabscheider 7 rückgewonnenen Rückgewinnungsgas gespeist. Die CO₂-Pumpe 8 verdichtet das Rückgewinnungsgas, um den Druck des Rückgewinnungsgases zu erhöhen.
Das verdichtete Rückgewinnungsgas wird dem vorgenannten Rückgewinnungsgaswärmetauscher 5 zugeführt. Wie obenstehend beschrieben, wird in dem Rückgewinnungsgaswärmetauscher 5 Wärme zwischen dem von der CO₂-Pumpe 8 verdichteten Rückgewinnungsgas und dem von der Turbine 10 zu dem Kühler 6 strömenden Abgas getauscht. Somit wird das Rückgewinnungsgas verhältnismäßig geringer Temperatur erhitzt. Ein Teil des von der CO₂-Pumpe 8 verdichteten Gases wird wiedergewonnen, ohne dem Rückgewinnungswärmetauscher 5 zugeführt zu werden. Das wiedergewonnene Gas wird gespeichert oder für andere Zwecke genutzt (beispielsweise um die durch Ölforderung erzeugte Menge von Öl zu erhöhen).
Das von dem Wärmetauscher 5 erhitzte Rückgewinnungsgas wird dem Verbrenner 3 zugeführt. Ein Teil des Rückgewinnungsgases wird auch der Turbine 10 zugeführt und als Kühlmittel genutzt.
Auf diese Weise wird in dem in 1 veranschaulichten Kraftwerk 1 mithilfe des CO₂-enthaltenden, durch Verbrennung erzeugten und als Bestandteil Wasser enthaltenden und eine Temperatur von 600°C oder höher aufweisenden Verbrennungsgases Strom erzeugt. Ein großer Teil CO₂ wird zirkuliert und wiederverwendet. Somit kann eine Volumenstromrate des Arbeitsfluids erhöht werden, während eine Erzeugung von NOx oder SOx, welche schädliche Gase sind, verhindert werden kann. Ferner wird keine Ausrüstung mehr benötigt, um CO₂ aus dem Abgas abzuscheiden und rückzugewinnen. Ferner kann die Reinheit von rückgewonnenem CO₂ erhöht werden, was es ermöglicht, das rückgewonnene CO₂ für verschiedene andere Zwecke als den der Stromerzeugung zu nutzen.
Als nächstes wird untenstehend die Turbine 10 in dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben. 2 ist eine Längsschnittansicht der in 1 gezeigten, in dem Kraftwerk 1 verbauten Turbine 10 und 3 ist eine Längsschnittansicht, die einen Teil der in 2 gezeigten Turbine 10 zeigt.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Turbine 10 ein Gehäuse 20 und einen bezüglich dem Gehäuse 20 drehbar gelagerten Turbinenrotor 40. Der Turbinenrotor 40 umfasst einen Rotorhauptkörper 41, der sich entlang einer Achse al erstreckt, und eine Vielzahl von Rotorrädern 46, die um den Rotorhauptkörper 41 angeordnet sind. In der untenstehenden Beschreibung wird eine Richtung, in der dich die Achse al erstreckt, als Axialrichtung ad bezeichnet, eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung ad wird als Radialrichtung rd bezeichnet, und eine Rotationsrichtung um die Achse al wird als Umfangsrichtung cd bezeichnet.
Die Vielzahl von Rotorrädern 46 sind entlang der Achse al des Rotorhauptkörpers 41 mit Zwischenabständen angeordnet. Jedes Rotorrad 46 erstreckt sich von dem Rotorhauptkörper 41 in Radialrichtung rd des Rotorhauptkörpers 41 nach außen, um eine entsprechende Laufschaufelreihe 50 zu lagern. Jede der Laufschaufelreihen 50 umfasst eine Vielzahl von Laufschaufeln 51, die mit Zwischenabständen in Umfangsrichtung cd angeordnet sind. Wie in 3 gezeigt ist, ist jede Laufschaufel 51 in eine Laufschaufeleinsatznut 47, die in dem Rotorrad 46 gebildet ist, eingesetzt und gelagert.
Das Gehäuse 20 ist mit einer Vielzahl von Leitschaufelreihen 30 bereitgestellt, die der Vielzahl an Laufschaufelreihen 50 entsprechen. Jede Leitschaufelreihe 30 umfasst eine Vielzahl von Leitschaufeln 31, die mit Zwischenabständen in Umfangsrichtung cd bereitgestellt sind. Wie in 3 gezeigt ist, wird jede Leitschaufel 31 an ihrem Ende der Außenumfangsfläche von einem äußeren Membranring 21 gelagert und an ihrem Ende der Innenumfangsfläche von einem inneren Membranring 22 gelagert. Eine Innenumfangsoberfläche des inneren Membranrings 22, d.h. eine dem Turbinenrotor 40 zugewandte Oberfläche ist mit einer Labyrinthdichtungsvorrichtung 23 bereitgestellt. Die Labyrinthdichtungsvorrichtung 23 ist konfiguriert, um zu verhindern, dass ein Arbeitsfluid wf durch einen Spalt zwischen dem inneren Membranring 22 und dem Rotorhauptkörper 41 als Leckage von diesem nach unten strömt (rechte Seite in 2).
Die Leitschaufelreihen 30 und die Laufschaufelreihen 50 sind abwechselnd entlang der Axialrichtung ad angeordnet. Eine Turbinenstufe 11 wird von einer Leitschaufelreihe 30 und einer Laufschaufelreihe 50, die angrenzend zu der einen Leitschaufelreihe 30 bereitgestellt ist, an der Stromabwärtsseite davon gebildet. Somit wird eine Vielzahl der Turbinenstufen 11 von der Vielzahl von Leitschaufelreihen 30 und der Vielzahl von Laufschaufelreihen 50 gebildet.
Das Arbeitsfluid wf strömt entlang einer Strömungspassage wp für Arbeitsfluid, die durch die entsprechenden Turbinenstufen 11 verläuft. In dieser Ausführungsform wird das in dem Brenner 3 erzeugte Verbrennungsgas als das Arbeitsfluid wf von einem Einlassrohr 31 für Arbeitsfluid in eine erste Turbinenstufe 11 an der Seite geleitet, die am weitesten stromaufwärts liegt. Das an die erste Turbinenstufe 11 geleitete Arbeitsfluid wf strömt abschnittsweise durch die jeweiligen Turbinenstufen 11 und arbeitet für die Laufschaufeln 51 der jeweiligen Turbinenstufen 11, um den Turbinenrotor 40 in Rotation zu versetzen. Danach strömt das Arbeitsfluid wf durch die letzte Turbinenstufe 11 an der Seite, die am weitesten stromabwärts liegt, und wird außerhalb der Turbine 10 abgeleitet. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel wird das an die Strömungspassage wp für Arbeitsfluid zu leitende Arbeitsfluid wf von der mit dem Gehäuse 20 verbundenen Einlasspumpe 24 für Arbeitsfluid zugeführt.
Da durch eine Zentrifugalkraft, die von der Drehung in den Rotorrädern 46, die die Laufschaufelreihen 50 lagern, verursacht wird, hohe Belastung erzeugt wird, ist es erforderlich, die durch eine erhöhte Temperatur erzeugte Kraft zu verringern. In dieser Ausführungsform ist ein Mechanismus zum Kühlen der Rotorräder 46 an dem Turbinenrotor 40 bereitgestellt.
Genauer wird, wie in 2 gezeigt, der Turbinenrotor 40 durch Verschweißen zweier Strukturglieder 40a, 40b des Rotors gebildet, die entlang der Axialrichtung ad bereitgestellt sind. Ein hohles Teil 42 ist im Innern der beiden Strukturglieder 40a, 40b des Rotors gebildet, um diese zu überspannen. Ein Kühlfluid cf strömt in den hohlen Teil 42. In dem in 2 gezeigten Beispiel wird durch Verschweißen der beiden Strukturglieder 40a, 40b des Rotors eine Naht 48 gebildet. Die Naht 48 umgibt den hohlen Teil 42 ringförmig.
Bei dieser Ausführungsform umfasst der hohle Teil 42 einen Speicherraum 42a mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser und eine mittige Durchgangsöffnung 42b, die einen kleineren Durchmesser besitzt als der Durchmesser des Speicherraums 42a. Der Speicherraum 42a wird gebildet, um sich von dem einen Strukturglied 40a des Rotors zu dem anderen Strukturglied 40b des Rotors zu erstrecken, unterdessen wird die mittige Durchgangsöffnung 42b in dem anderen Strukturglied 40b des Rotors gebildet wird, um dort in Axialrichtung ad hindurch zu gelangen. Die mittige Durchgangsöffnung 42b besitzt ebenfalls eine Funktion als zu verwendende Arbeitsöffnung, wenn eine Strömungspassage 60 für Kühlfluid, die untenstehend beschrieben wird, in den Strukturgliedern 40a, 40b des Rotors gefertigt wird.
Ein Ende der mittigen Durchgangsöffnung 42b, die dem Speicherraum 42 a gegenüberliegt, kann von einer Kappe (nicht dargestellt) abgedichtet werden. In diesem Fall kann verhindert werden, dass das Kühlfluid cf von dem Speicherraum 42a durch die mittige Durchgangsöffnung 42 nach außen strömt.
Ferner ist eine Zufuhrpassage 45 zum Zuführen des Kühlfluids cf an den Speicherraum 42a in dem einen Strukturglied des Rotors 40a gebildet. Die Zufuhrpassage 45 kommuniziert mit einer Zufuhrpassage 25 des Gehäuses, die die in dem Gehäuse 20 gebildet ist, so dass das Kühlfluid cf von der Zufuhrpassage 25 des Gehäuses durch eine Nut 26 zugeführt wird. Bevorzugt gibt es eine Vielzahl der Zufuhrpassagen 45 und eine Vielzahl der Zufuhrpassagen 25 des Gehäuses, die in Umfangsrichtung cd angeordnet sind. Dies trägt zu einer gleichmäßigen Zufuhr des Kühlfluids cf an den Speicherraum 42a bei.
Ferner ist eine Vielzahl von großen Labyrinthdichtungen 27 zwischen dem Strukturglied 40a des Rotors, in dem die Fluidzufuhrpassage 45 gebildet ist, und einer Innenumfangsfläche des Gehäuses 20 bereitgestellt. Die großen Labyrinthdichtungen 27 verhindern ein Austreten des Kühlfluids cf durch einen Spalt zwischen dem Strukturglied 40a des Rotors und dem Gehäuse 20.
Besonders in dieser Ausführungsform ist es unwahrscheinlich, dass das Strukturglied 40a dem Arbeitsfluid wf einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, da das Strukturglied 40a des Rotors, in dem die Zufuhrpassage 45 gebildet ist, nicht mit den Rotorrädern 46 bereitgestellt ist. Somit kann das Strukturglied 40a des Rotors aus einem verhältnismäßig schwach-hitzebeständigen Material, wie etwa CrMoV-Stahl gefertigt sein.
Andererseits ist das Strukturglied 40b des Rotors, in dem die mittige Durchgangsöffnung 42b gebildet ist, mit den Rotorrädern 46 bereitgestellt, um die Vielzahl von durch das Arbeitsfluid wf rotierten Laufschaufelreihen 50 zu lagern. Somit ist es wahrscheinlich, dass das Strukturglied 40b dem Arbeitsfluid wf hoher Temperatur ausgesetzt ist, und kann aus verhältnismäßig stark hitzebeständigem Material, wie etwa einem warmfesten 12Cr Stahl oder einer hitzebeständigen Legierung wie einer Ni-basierten Legierung gebildet sein.
Wie in 3 gezeigt ist, ist die Kühlmittel-einleitende Passage 60 in dem Rotorhauptkörper 41 gebildet, der das Kühlfluid cf in dem hohlen Teil 42 an die Fluidpassage wp für Arbeitsfluid leitet, um die Rotorräder 46 zu kühlen. In dieser Ausführungsform ist die Kühlfluid-einleitende Passage 60 gebildet, um sich von dem hohlen Teil 42 in eine mit der Axialrichtung ad des Rotorhauptkörpers 41 überschneidende Richtung zu erstrecken, genauer entlang der Radialrichtung rd senkrecht zu der Axialrichtung ad.
Die Kühlfluid-einleitende Passage 60 umfasst einen Einströmanschluss 61, der eine Grenze zwischen der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 und dem hohlen Teil 42 herstellt. Das Kühlfluid cf von dem hohlen Teil 42 tritt in die Kühlfluid-einleitende Passage 60 durch den Einströmanschluss 61 ein. Die Kühlfluid-einleitende Passage 60 umfasst ferner einen Ausströmanschluss 62, der an einer Außenumfangsfläche des Rotorhauptkörpers 41 bereitgestellt ist. Das Kühlfluid cf von dem Einströmanschluss 61 wird aus dem Ausströmanschluss 62 hin zu der Strömungspassage wp für Arbeitsfluid ausgestoßen.
4 zeigt eine Schnittansicht des Rotorhauptkörpers 41 senkrecht zur Axialrichtung ad des Rotorhauptkörpers 41. Wie in 4 in der Schnittansicht des Rotorhauptkörpers 41 senkrecht zu dessen Axialrichtung ad gezeigt ist, sind eine Vielzahl der Kühlfluid-einleitenden Passagen 60 radial um die Achse al angeordnet. Genauer ist die Vielzahl von Kühlfluid-einleitenden Passagen 60 entlang der Umfangsrichtung des Rotorhauptkörpers 41 angeordnet, und jede der Kühlfluid-einleitenden Passagen 60 erstreckt sich linear entlang der Radialrichtung rd. Eine Vielzahl von Reihen, von denen jede die Vielzahl von in Umfangsrichtung cd angeordneten, Kühlfluid-einleitenden Passagen 60 beinhaltet, sind entlang der Axialrichtung ad angeordnet.
Das Kühlfluid cf, das durch die jeweilige Kühlfluid-einleitende Passage 60 geströmt ist, strömt um das Rotorrad 46 und/oder zwischen den beiden angrenzenden Rotorrädern 46, um zu der Strömungspassage wp für Arbeitsfluid geleitet zu werden. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel strömt das Kühlfluid cf, das durch die entsprechende Kühlfluid-einleitende Passage 60 geströmt ist, in die Strömungspassage wp für Arbeitsfluid mittels eines der folgenden drei Leitwege. Ein erster Leitweg ist eine Hauptströmungspassage 65, die den inneren Membranring 22 und das Rotorrad 46 entlang der Radialrichtung rd durchläuft und dann durch die stromaufwärtige Seite der Laufschaufel 51 gelangt. Ein zweiter Leitweg ist eine zweite Abzweigpassage 66, die von der Hauptsrömungspassage 65 in Stromabwärtsrichtung der Laufschaufel 51 abzweigt und dann durch die stromabwärtige Seite der Laufschaufel 51 gelangt. Ein dritter Leitweg ist eine dritte Abzweigungspassage 67, die von der Hauptströmungspassage 65 in Stromabwärtsrichtung der Laufschaufel 51 abzweigt und dann in Richtung der von dem inneren Membranring 22, der sich stromabwärts befindet, gelagerten Labyrinthdichtungsvorrichtung 23 strömt.
In dem in 3 gezeigten Beispiel ist ferner eine Kühlfluid-einleitende Passage 60 entsprechend einer Turbinenstufe 11 bereitgestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperatur des Arbeitsfluids zum Rotieren der Laufschaufelreihen 50 dann am höchsten ist, wenn es durch die erste Turbinenstufe 11 strömt, und dass die Temperatur schrittweise abnimmt, sobald das Arbeitsfluid wf durch die sich an der stromabwärtigen Seite befindlichen Turbinenstufen 11 strömt. Somit sind die sich an einer stromabwärtigen Seite befindenden Turbinenstufen 11 bezüglich jeder Turbinenstufe mit einer Kühlfluid-einleitenden Passage 60 versehen, wohingegen die an der stromabwärtigen Seite befindliche(n) Turbinenstufe(n) nicht mit der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt ist (sind).
Wie obenstehend beschrieben ist, je weiter stromaufwärts sich die Turbinenstufe 11 befindet, umso wahrscheinlicher ist eine Erwärmung der Turbinenstufe 11 aufgrund der höheren Temperatur des Arbeitsfluids wf. Somit ist es umso wahrscheinlicher, dass das Rotorrad 46 eine hohe Temperatur besitzt, so dass eine Stärke desselben sich wahrscheinlich verringert, je weiter sich das Rotorrad 46 stromaufwärts befindet. Vor diesem Gesichtspunkt wird eine Strömungsrate des Kühlfluids cf zum Kühlen des Rotorrads 46 benötigt, um abhängig von einer Position des Rotorrads 46 gesteuert zu werden. Somit ist bei dieser Ausführungsform der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate in der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt.
Der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate ist konfiguriert, um eine Strömungsrate des Kühlfluids cf, das durch die Kühlfluid-einleitende Passage 60 strömt, zu regulieren. 5 und 6 sind perspektivische Ansichten des Stopfens 70 zum Steuern der Strömungsrate und eine Schnittansicht davon.
Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, umfasst der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate einen zylindrischen Körper 71 mit einer Durchgangsöffnung 72, durch die das Kühlfluid cf in den hohlen Teil 42 strömt. Die Durchgangsöffnung 72 verläuft in einer Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71 durch den zylindrischen Körper 71. Die Durchgangsöffnung 72 umfasst insbesondere eine Öffnung großen Durchmessers 72a und eine Öffnung kleinen Durchmessers 72b, das einen kleineren Durchmesser besitzt als die Öffnung großen Durchmessers 72a. Da die Durchgangsöffnung 72 eine Öffnung kleinen Durchmessers 72b besitzt, die einen kleineren Durchmesser besitzt als den Durchmesser der Öffnung großen Durchmessers 72a, kann ein Regelgrad einer Strömungsrate des durch den Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate strömenden Kühlfluids cf erhöht werden.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Länge L2 der Öffnung kleinen Durchmessers 72 entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers 71 kürzer als eine Länge L1 der Öffnung großen Durchmessers 72 entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers 71. Da das sich an der stromaufwärtigen Seite befindliche Rotorrad 46 mit höherer Wahrscheinlichkeit eine höhere Temperatur besitzt, können die Länge L2 der Öffnung kleinen Durchmessers 72b und die Länge L1 der Öffnung großen Durchmessers 72 auf angemessene Weise basierend auf einer Position, an der sich der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate befindet, verändert werden. Üblicherweise ist es umso wahrscheinlicher, dass das Rotorrad 46 eine hohe Temperatur aufweist, je weiter stromaufwärts sich das Rotorrad 46 befindet, weshalb ein solches Rotorrad 46 eine intensive Kühlung erfordert. Somit besitzt die Öffnung kleinen Durchmessers 72b bevorzugt eine umso kürzere Länge L2, je weiter sich der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate auf der Stromaufwärtsseite befindet.
Auf ähnliche Weise, da ein Druck des Arbeitsfluids wf hin zur Stromaufwärtsseite ansteigt, je weiter stromaufwärts sich die Kühlfluid-einleitende Passage 60 befindet, desto größer der Druck des Arbeitsfluids wf dem die Kühlfluid-einleitenden Passage ausgesetzt ist, so dass das Kühlfluid cf zurückgedrückt wird. Auch aus diesem Grund besitzt die Öffnung kleinen Durchmessers 72 bevorzugt eine umso kürzere Länge, je weiter stromaufwärts sich der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate befindet, um einen hohen Druck des durch den Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate strömenden Kühlfluids sicherzustellen.
An einer Außenfläche 71a des zylindrischen Körpers 71 ist ein Schraubabschnitt 73 bereitgestellt. Der Schraubabschnitt 73 wird mit einem Schraubabschnitt 43 (siehe 7) verschraubt, der an einer Wandoberfläche des Rotorhauptkörpers 41 bereitgestellt ist, der die Kühlfluid-einleitende Passage 60 definiert. Bei dieser Ausführungsform ist der Schraubabschnitt 73 des zylindrischen Körpers 71 als eine externe Schraube gebildet, und der Schraubabschnitt 43 des Rotorhauptkörpers 41 ist als eine innere Schraube gebildet. Das in den 5 und 6 gezeigte Beispiel zeigt insbesondere, dass der Schraubabschnitt 73 an einem Abschnitt der Außenfläche 71a des die Öffnung kleinen Durchmessers 72 umgebenden zylindrischen Körpers 71 bereitgestellt ist, wohingegen kein Schraubabschnitt 73 an einem Abschnitt der Außenfläche 71a des die Öffnung 72b kleinen Durchmessers umgebenden zylindrischen Körpers 71 bereitgestellt ist.
Obgleich der in 4 gezeigte Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate eine hohlzylindrische Form besitzt, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate kann jedwede Form besitzen, sofern die Form der Form der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 entspricht.
Als nächstes wird ein Betrieb der wie obenstehend aufgebauten Ausführungsform beschrieben.
Wie in 2 gezeigt ist, wird die Turbine 10 betrieben, wenn das von dem Verbrenner 3 zugeführte Arbeitsfluid wf in die Turbine 10 einströmt. Während dieses Vorgangs strömt das Arbeitsfluid wf in die erste Turbinenstufe 11, um im Anschluss durch die jeweiligen Turbinenstufen 11 zu gelangen und arbeitet für die jeweilige Laufschaufel 51, um den Turbinenrotor 40 in Rotation zu versetzen. Danach strömt das Arbeitsfluid wf durch die finale Turbinenstufe 11 und wird von der Turbine 10 abgeleitet um dem Rückgewinnungswärmetauscher 5 zugeführt zu werden.
Mit dem Einströmen des Arbeitsfluids wf werden die Laufschaufelreihen 50 und die die Laufschaufelreihen 50 lagernden Rotorräder 46 dahingehend erwärmt, um eine höhere Temperatur aufzuweisen. Um die Rotorräder 46 zu kühlen, wird ein von dem Rückgewinnungswärmetauscher 5 abgeleitetes Rückgewinnungsgas als das Kühlfluid cf von der Zufuhrpassage 25 des Gehäuses in den hohlen Teil 42 zugeführt.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Druck des hohlen Teils 42 höher als ein Druck des durch die Passage wp für Arbeitsfluid strömenden Arbeitsfluids wf. Somit strömt das Kühlfluid cf, das an den hohlen Teil 42 zugeführt wurde, durch die Kühlfluid-einleitende Passage 60 in Richtung der Strömungspassage wp für Arbeitsfluid.
7 zeigt einen Zustand, in dem ein Kühlfluid cf durch den in der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellten Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate strömt. Wie in 7 gezeigt ist, strömt das Kühlfluid cf von dem hohlen Teil 42 hin zu der Passage wp für Arbeitsfluid, nachdem die Strömungsrate des Kühlfluids cf in dem Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate gesteuert wurde, da die Öffnung 72b kleinen Durchmessers, das einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser besitzt, in dem Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate gebildet ist.
Das Kühlfluid cf, das von jeder Kühlfluid-einleitenden Passage 60 hin zu der Strömungspassage wp für Arbeitsfluid strömt, strömt um das Rotorrad 46 und/oder zwischen zwei angrenzenden Rotorrädern 46, um zu der Strömungspassage wp für Arbeitsfluid geleitet zu werden. Somit wird das Rotorrad/werden die Rotorräder 46 von dem Kühlfluid cf gekühlt.
Die Temperatur des Kühlfluids cf kann als eine Temperatur festgelegt werden, bei der in dem zu kühlenden Rotorrad 46 keine große thermische Belastung erzeugt wird. Bei einer Dampfturbine kann die Temperatur des Kühlfluids auf etwa 400°C festgelegt werden, obgleich dies weitgehend von einer Spezifikation der Turbine abhängt.
Das an die Strömungspassage wp für Arbeitsfluid geleitete Kühlfluid cf wird mit dem Arbeitsfluid wf vermischt.
Wie von oben ersichtlich ist, umfasst die Turbine gemäß dieser Ausführungsform: den Turbinenhauptkörper 41 umfassend den hohlen Teil 42, in den das Kühlfluid cf einströmt, und die in Axialrichtung ad des Rotorhauptkörpers 41 angeordnete und von diesem hervorstehende Vielzahl von Rotorrädern 46; und die Vielzahl von Laufschaufelreihen 50, die jeweils an dem entsprechenden Rotorrad 46 gelagert sind, wobei die Laufschaufelreihe 50 von dem durch die Passage für Arbeitsfluid wp strömenden Arbeitsfluid wf angetrieben wird; wobei die Kühlfluid-einleitende Passage 60, die sich von dem hohlen Teil 42 in eine sich mit der Axialrichtung ad des Rotorhauptkörpers 41 überschneidenden Richtung erstreckt, in dem Rotorhauptkörper 41 gebildet ist um es dem Kühlfluid cf in dem hohlen Teil 42 zu erlauben, durch die Kühlfluid-einleitende Passage 60 zu strömen und dann um das Rotorrad 46 zu strömen, um an die Strömungspassage wp für Arbeitsfluid geleitet zu werden, und der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate, der die Strömungsrate des durch die Kühlfluid-einleitende Passage 60 strömenden Kühlfluids cf regelt, in der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt ist.
Gemäß einer solchen Ausführungsform kann die Strömungsrate des durch die Kühlfluid-einleitende Passage 60 strömenden Kühlfluids cf auf einfache Weise dahingehend gesteuert werden, minimal zu sein, indem der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate in der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt wird. Im Ergebnis kann die Verringerung der Temperatur des Arbeitsfluids wf, die durch das sich mit dem Arbeitsfluid wf vermischende Kühlfluid cf versursacht wird, so weit wie möglich begrenzt werden, wodurch die Absenkung der Turbineneffizienz auf einfache Weise begrenzt werden kann.
Ferner besitzt der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate den zylindrischen Körper 71 umfassend die Durchgangsöffnung 72, durch die das Kühlfluid cf in den hohlen Teil 42 strömt, die Durchgangsöffnung 72 umfasst die Öffnung großen Durchmessers 72a und die Öffnung kleinen Durchmessers 72b, die einen Durchmesser besitzt, der kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung großen Durchmessers 72a, den Schraubabschnitt 73, der mit dem an der Wandoberfläche des Rotorhauptkörpers 41 der die Kühlfluid-einleitende Passage 60 definierenden Wandoberfläche bereitgestellten Schraubschnitt 73 verschraubt ist, an der Außenfläche 71a des zylindrischen Körpers 71 bereitgestellt ist. Gemäß einer solchen Ausführungsform kann ein Regelgrad einer Strömungsrate des durch den Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate strömenden Kühlfluids cf erhöht werden, da die Durchgangsöffnung 72 die Öffnung kleinen Durchmessers 72b umfasst, die einen Durchmesser besitzt, der kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung großen Durchmessers 72a. Ferner kann, durch Schrauben des an der Außenfläche 71a des zylindrischen Hohlkörpers 71 bereitgestellten Schraubschnitts 73 an den Schaubabschnitt 43 des Rotorhauptkörpers 41, der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate leicht in der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt werden.
Ferner ist gemäß dieser Ausführungsform die Länge L2 der Öffnung 72b kleinen Durchmessers entlang der Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71 kürzer als die Länge L1 der Öffnung 72a großen Durchmessers entlang der Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71. In diesem Fall ist es möglich, das Kühlfluid cf zu veranlassen bei einer ausreichenden Strömungsrate durch den Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate zu strömen, während die Funktion der Öffnung 72nb kleinen Durchmessers zum Regulieren einer Strömungsrate des durch den Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate strömenden Kühlfluids cf ausreichend gesichert ist.
Ferner ist gemäß dieser Ausführungsform der Turbinenrotor 40 aus zwei Strukturgliedern 40a, 40b des Rotors zusammengesetzt, die miteinander durch Schweißen verbunden sind, der hohle Teil 42 wird durch die beiden Strukturglieder 40a, 40b des Rotors gebildet und der hohle Teil 42 umfasst die mittige Durchgangsöffnung 42b, die durch eines der beiden Strukturglieder 40a, 40b des Rotors entlang der Axialrichtung ad verläuft. In diesem Fall kann mithilfe der mittigen Durchgangsöffnung 42b als eine Arbeitsöffnung die Kühlfluid-einleitende Passage 60 auf einfache Weise in den Strukturgliedern 40a, 40b des Rotors gefertigt werden.
Ferner ist gemäß dieser Ausführungsform die Zufuhrpassage 45 zum Zuführen des Kühlfluids cf an den hohlen Teil 42 in dem stromaufwärtigen Strukturglied 40a des Rotors der beiden Strukturglieder 40a, 40b des Rotors gebildet. Da die Zufuhrpassage 45 das Kühlfluid cf bei einem hohen Druck dem hohlen Teil 42 zuführt, strömen das Kühlfluid cf, das durch Wärmeaustausch mit den Rotorrädern 46 erhitzt wurde, und das Arbeitsfluid wf zum Rotieren der Laufschaufelreihe 50 selten zurück zu dem stromaufwärtigen Strukturglied 40a des Rotors. Im Ergebnis ist es unwahrscheinlich, dass das stromaufwärtige Strukturglied 40a des Rotors durch das erwärmte Kühlfluid cf und/oder das Arbeitsfluid wf erwärmt wird. Somit kann eine Verschlechterung durch Wärme beschränkt werden, selbst, wenn das stromaufwärtige Strukturglied 40a des Rotors aus einem Material mit geringer Wärmebeständigkeit gefertigt ist.
Ferner besitzen gemäß dieser Ausführungsform die Vielzahl von Kühlfluid-einleitenden Passagen 60 denselben Durchmesser. Je weiter stromaufwärts sich der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate befindet, desto kürzer ist die Länge der Öffnung kleinen Durchmessers 72b. Bei diesem Fall ist es nur durch Verändern der Länge L2 der Öffnung 72b kleinen Durchmessers des Stopfens 70 zum Steuern der Strömungsrate, abhängig von der Position, an der sich der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate befindet, möglich, die Rotorräder 46 zuverlässig zu kühlen, die sich an der stromaufwärtigen Seite befinden, wo sie sich wahrscheinlicher auf eine hohe Temperatur erhitzen. Tatsächlich kann nämlich gemäß einer solchen Ausführungsform die Positionierung des Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate zur optimalen Kühlung der Rotorräder 46 auf einfache Weise erreicht werden.
Wie in 3 gezeigt ist, sind in der Turbine 10 gemäß dieser Ausführungsform die Vielzahl von Kühlfluid-einleitenden Passagen 60 in Axialrichtung ad des Rotorhauptkörpers 41 angeordnet, umfasst jede Kühlfluid-einleitende Passage 60 einen Einströmanschluss 61, der eine Grenze vollzieht zwischen der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 und dem hohlen Teil 42, und ein Abstand zwischen dem Einströmanschluss 61 von der Kühlfluid-einleitenden Passagen 60 und/oder der Achse des Rotorhauptkörpers 41 ist gleich einem Abstand zwischen dem Einströmanschluss 61 der anderen Kühlfluid-einleitenden Passage 60 und/oder der Achse al des Rotorhauptkörpers 41. Genauer ist ein Abstand zwischen dem jeweiligen Einströmanschluss 61, der die Grenze zwischen der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 und dem hohlen Teil 42 und der Achse al des Rotorhauptkörpers 41 vollzieht, gleich einem Abstand zwischen einem anderen, optionalen Einströmanschluss 61, der die Grenze zieht zwischen der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 und dem hohlen Teil 42, und der Achse al des Rotorhauptkörpers 41. Ferner ist ein Abstand zwischen dem jeweiligen Einströmanschluss 61, der eine Grenze zieht zwischen der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 und der mittigen Durchgangsöffnung 42b und der Achse al des Rotorhauptkörpers 41, gleich einem Abstand zwischen einem anderen optionalen Einströmanschluss 61, der die Grenze zieht zwischen der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 und der mittigen Durchgangsöffnung 42 und der Achse al des Rotorhauptkörpers 41.
<< Modifizierungsbeispiel >>
Bei der vorgenannten Ausführungsform erzeugt der Verbrenner 3 zur Erzeugung eines Verbrennungsgases als ein an die Turbine 10 zu lieferndes Arbeitsfluid durch Verbrennen von von der Sauerstoff-produzierenden Vorrichtung 2 geliefertem Sauerstoff und einem Kraftstoff ein Verbrennungsgas, wie dies in 1 gezeigt ist. Der Verbrenner 3, der jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist, kann ein Verbrennungsgas durch Verbrennen von Luft und Kraftstoff erzeugen. Ferner kann die Turbine 10 in der vorgenannten Ausführungsform auf ein Kraftwerk, das nicht auf das in 1 gezeigte Kraftwerk 1 beschränkt ist, eines anderen optionalen Aufbaus angewendet werden.
Ferner ist in der vorgenannten Ausführungsform, wie dies in 6 gezeigt ist, der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate aus einem Stopfen 70a zum Steuern der Strömungsrate öffnender Art gebildet, bei dem die Länge L2 der Öffnung kleinen Durchmessers 72b kürzer ist als die Länge L1 der Öffnung großen Durchmessers 72a. Die Form des Stopfens 70 zum Steuern der Strömungsrate ist jedoch nicht auf das obenstehende Beispiel beschränkt. Die 8 und 9 zeigen ein anderes Beispiel des Stopfens 70 zum Steuern der Strömungsrate und 10 zeigt noch ein anderes Beispiel des Stopfens 70 zum Steuern der Strömungsrate.
Bei dem in den 8 und 9 gezeigten Beispiel, ist der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate aus einem Stopfen 70b zum Steuern der Strömungsrate von der Art eines engen Rohrs gebildet, bei dem die Länge L2 der Öffnung 72b kleinen Durchmessers entlang der Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71 länger ist als die Länge L1 der Öffnung großen Durchmessers 72a entlang der Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71. Der an der Außenfläche 71a des zylindrischen Körpers 71 bereitgestellte Schraubabschnitt 73 erstreckt sich über sowohl einen Teil der Außenfläche 71a des zylindrischen Körpers 71, der die Öffnung großen Durchmessers 72a umgibt, als auch einen Teil der Außenfläche 71a des zylindrischen Körpers 71, der die Öffnung kleinen Durchmessers 72b umgibt. Gemäß dem Stopfen 70b zum Steuern der Strömungsrate von der Art eines engen Rohrs, kann die Funktion der Öffnung 72b kleinen Durchmessers zum Regulieren einer Strömungsrate des Kühlfluids cf, das durch den Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate strömt, zuverlässiger sichergestellt werden.
Bei dem in 10 gezeigten Beispiel umfasst die in dem zylindrischen Körper 71, der den Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate bildet, gebildete Durchgangsöffnung 72 ferner eine zusätzliche Öffnung großen Durchmessers 72c, die einen größeren Durchmesser besitzt als die Öffnung 72b kleinen Durchmessers und eine zusätzliche Öffnung 72d kleinen Durchmessers mit einem Durchmesser, der kleiner ist als die Durchmesser der zusätzlichen Öffnung großen Durchmessers 72c und der Öffnung großen Durchmessers 72a. Die Öffnung großen Durchmessers, die Öffnung kleinen Durchmessers 72b, die zusätzliche Öffnung großen Durchmessers 72c und die zusätzliche Öffnung kleinen Durchmessers 72d sind in dieser Reihenfolge angeordnet.
Insbesondere sind die Länge L2 der Öffnung kleinen Durchmessers 72b entlang der Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71 und eine Länge L4 der zusätzlichen Öffnung kleinen Durchmessers 72d entlang der Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71 kürzer als die Länge L1 der Öffnung großen Durchmessers 72a entlang der Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71 und eine Länge L3 der zusätzlichen Öffnung großen Durchmessers 72c der Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71.
Ferner ist in dem in 10 gezeigten Beispiel der Schraubabschnitt 73, der an der Außenfläche 71a des zylindrischen Köpers 71 bereitgestellt ist, an einem Abschnitt der Außenfläche 71a des die Öffnung großen Durchmessers 72a umgebenden zylindrischen Körpers 71 bereitgestellt, wohingegen an einem Abschnitt der Außenfläche 71a des zylindrischen Körpers 71, der die Öffnung kleinen Durchmessers 72b, die zusätzliche Öffnung großen Durchmessers 72c und die zusätzliche Öffnung kleinen Durchmessers 72d umgibt, kein Schraubabschnitt 73 bereitgestellt ist.
Gemäß dem Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate, der in 10 gezeigt ist, ist es möglich, die Strömungsrate des Kühlfluids cf, das durch den Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate strömt, genauer zu regeln, da die Öffnung großen Durchmessers 72a, die Öffnung kleinen Durchmessers 72b, die zusätzliche Öffnung großen Durchmessers 72c die zusätzliche Öffnung kleinen Durchmessers 72d in dieser Reihenfolge angeordnet sind, durch Nutzung eines abrupten Verlusts an Vergrößerung und eines abrupten Verlusts an Kontraktion.
Ferner ist in der vorgenannten Ausführungsform, wie dies in 7 gezeigt ist, eine Kühlfluid-einleitende Passage 60 mit einem Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate ausgestattet. Die Anzahl von Stopfen 70 zum Steuern von Kühlfluids, die in der Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt ist, ist jedoch nicht auf das obenstehende Beispiel beschränkt. 11 zeigt ein Beispiel, in dem eine Vielzahl der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate in einer Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt sind.
Bei dem in 11 gezeigten Beispiel sind der in 5 gezeigte Stopfen 70a zum Steuern der Strömungsrate öffnender Art und der in 8 gezeigte Stopfen 70b zum Steuern der Strömungsrate von der Art eines engen Rohrs in einer Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt. Der Schraubabschnitt 73 des Stopfens 70a zum Steuern der Strömungsrate öffnender Art und der Schraubabschnitt 73 des Stopfens 70b zum Steuern der Strömungsrate von der Art eines engen Rohrs sind mit einem Schraubabschnitt 43 des Rotorhauptkörpers 41 verschraubt.
Gemäß der in 11 gezeigten Ausführungsform, sind der erste Stopfen 70a zum Steuern der Strömungsrate und der zweite Stopfen 70b zum Steuern der Strömungsrate in einer Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt, bei dem ersten Stopfen 70a zum Steuern der Strömungsrate ist die Länge L2 der Öffnung 72b kleinen Durchmessers entlang der Axialrichtung X des Zylinderkörpers 71 kürzer als die Länge L1 der Öffnung großen Durchmessers 72a entlang der Axialrichtung X des Zylinderkörpers 71 und bei dem zweiten Stopfen 70b zum Steuern der Strömungsrate ist die Länge L2 der Öffnung kleinen Durchmessers 72b entlang der Axiallänge X des Zylinderkörpers 71 länger als die Länge L1 der Öffnung großen Durchmessers 72a entlang der Axialrichtung X des Zylinderkörpers 71. Gemäß einer solchen Ausführungsform kann die optimale Steuerung der Strömungsrate genauer erzielt werden, da die Strömungsrate des durch eine Kühlfluid-einleitende Passage 60 strömenden Kühlfluids cf mit einem noch höheren Freiheitsgrad gesteuert werden kann.
Ferner besitzt bei der vorgenannten Ausführungsform die Öffnung kleinen Durchmessers 72 eine umso kürzere Länge L2, je weiter stromaufwärts sich der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate befindet. Die Positionierung des Stopfens 70 zum Steuern der Strömungsrate ist jedoch nicht auf das obenstehende Beispiel beschränkt. 12 zeigt ein anderes Beispiel einer Positionierung der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate.
Ebenfalls ist in dem in 12 gezeigten Beispiel, je weiter sich der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate an der Seite stromaufwärts befindet, desto weniger reguliert er die Strömungsrate des durch den Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate strömenden Kühlfluids cf. Genauer ist der Stopfen 70 zum Steuern der Strömungsrate, der sich an der stromaufwärtigen Seite befindet, aus dem Stopfen 70a zum Steuern der Strömungsrate öffnender Art gebildet, der die Strömungsrate des Kühlfluids cf schwächer reguliert, und der Stopfen 70, der sich an der stromabwärtigen Seite befindet, ist aus dem Stopfen 70b zum Steuern der Strömungsrate von der Art eines engen Rohres gebildet, der die Strömungsrate des Kühlfluids cf stärker reguliert.
Gemäß der in 12 gezeigten Ausführungsform, ist der erste Stopfen 70a zum Steuern der Strömungsrate in einer ersten Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt, und bei dem ersten Stopfen 70a zum Steuern der Strömungsrate ist die Länge L2 der Öffnung kleinen Durchmessers 72b entlang der Axialrichtung X des zylindrischen Körpers 71 kürzer als die Länge L1 der Öffnung großen Durchmessers entlang der Axialrichtung X des Zylinderkörpers 71, und der zweite Stopfen 70b zum Steuern der Strömungsrate ist in einer zweiten Kühlfluid-einleitenden Passage 60 bereitgestellt, und bei dem zweiten Stopfen 70b zum Steuern der Strömungsrate ist die Länge L2 der Öffnung kleinen Durchmessers 72b entlang der Axialrichtung X des Zylinderkörpers 71 länger als die Länge L1 der Öffnung großen Durchmessers 72a entlang der Axialrichtung des Zylinderkörpers 71. Gemäß einer solchen Ausführungsform kann die optimale Steuerung der Strömungsrate des Kühlfluids cf in Abhängigkeit der Positionen der Stopfen 70a, 70b zum Steuern der Strömungsrate durch Kombinieren der verschiedenen Arten von Stopfen 70a ,70b zum Steuern der Strömungsrate erzielt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftwerk
2: Sauerstoff-produzierende Vorrichtung
3: Verbrenner
4: Generator
5: Rückgewinnungswärmetauscher
6: Kühler
7: Feuchtigkeitsabscheider
8: CO₂-Pumpe
10: Turbine
11: Turbinenstufe
20: Gehäuse
21: äußerer Membranring
22: innerer Membranring
23: Labyrinthdichtungsvorrichtung
24: Einlassrohr für Arbeitsfluid
25: Zufuhrpassage des Gehäuses
26: Nut
27: große Labyrinthdichtung
30: Leitschaufelreihe
31: Leitschaufel
40: Turbinenrotor
40a: Strukturglied des Rotors
40b: Strukturglied des Rotors
41: Rotorhauptkörper
42: Hohler Teil
42a: Speicherraum
42b: mittige Durchgangsöffnung
43: Schraubabschnitt
45: Zufuhrpassage
46: Rotorrad
47: Laufschaufeleinsatznut
50: Laufschaufelreihe
51: Laufschaufel
60: Kühlfluid-einleitende Passage
61: Einströmanschluss
62: Ausströmanschluss
65: Hauptströmungspassage
66: Erste Abweigpassage
67: Zweite Abzweigpassage
70: Stopfen zum Steuern der Strömungsrate
70a: Stopfen zum Steuern der Strömungsrate öffnender Art
70b: Stopfen zum Steuern der Strömungsrate von der Art eines engen Rohrs
71: Zylindrischer Körper
71a: Außenfläche
72: Durchgangsöffnung
72a: Öffnung großen Durchmessers
72b: Öffnung kleinen Durchmessers
72c: zusätzliche Öffnung kleinen Durchmessers
72d: zusätzliche Öffnung großen Durchmessers
73: Schraubabschnitt
cf: Kühlfluid
al: Achse
ad: Axialrichtung
rd: Radialrichtung
wp: Strömungspassage für Arbeitsfluid
wf: Arbeitsfluid
X: Axialrichtung
cd: Umfangsrichtung

Claims

Turbine (10), aufweisend: einen Turbinenrotor (40) mit einem Rotorhauptkörper (41) umfassend einen hohlen Teil (42), in den ein Kühlfluid strömt, und eine Vielzahl von Rotorrädern (46), die in einer Axialrichtung des Rotorhauptkörpers (41) angeordnet sind und von dem Rotorhauptkörper (41) hervorstehen; und eine Vielzahl von Laufschaufelreihen (50), die jeweils an dem entsprechenden Rotorrad (46) gelagert sind, wobei die Laufschaufelreihe (50) von einem Arbeitsfluid angetrieben wird, das durch eine Strömungspassage für Arbeitsfluid strömt, wobei eine Vielzahl Kühlfluid-einleitender Passagen (60), die sich von dem hohlen Teil (42) in einer sich mit der Axialrichtung des Rotorhauptkörpers (41) überschneidenden Richtung erstreckt, in dem Rotorhauptkörper (41) gebildet ist, um es dem Arbeitsfluid in dem hohlen Teil (42) zu erlauben, durch die Kühlfluid-einleitende Passage (60) zu strömen und dann um das Rotorrad (46) zu strömen, um an die Strömungspassage für Arbeitsfluid geleitet zu werden, wobei die Kühlfluid-einleitenden Passagen (60) eine erste Kühlfluid-einleitende Passage und eine zweite Kühlfluid-einleitende Passage, die in Axialrichtung des Rotorhauptkörpers (41) stromab der ersten Kühlfluid-einleitenden Passage angeordnet ist, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Stopfen (70a) zum Steuern der Strömungsrate, der eine Strömungsrate des durch die erste Kühlfluid-einleitende Passage strömenden Kühlfluids steuert, in der ersten Kühlfluid-einleitenden Passage bereitgestellt ist, ein zweiter Stopfen (70b) zum Steuern der Strömungsrate, der eine Strömungsrate des durch die zweite Kühlfluid-einleitende Passage strömenden Kühlfluids steuert, in der zweiten Kühlfluid-einleitenden Passage bereitgestellt ist, wobei der erste Stopfen (70a) und der zweite Stopfen (70b) jeweils einen zylindrischen Körper (71) besitzen, der eine Durchgangsöffnung (72) beinhaltet, durch die das Kühlfluid in dem hohlen Teil (42) strömt, wobei die Durchgangsöffnung (72) eine Öffnung großen Durchmessers (72a) und eine Öffnung kleinen Durchmessers (72b) beinhaltet, die einen Durchmesser besitzt, der kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung großen Durchmessers (72a), wobei die Länge (L2) der Öffnung kleinen Durchmessers (72b) in Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) des ersten Stopfens (70a) kürzer ist als die Länge (L2) der Öffnung kleinen Durchmessers (72b) in Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) des zweiten Stopfens (70b).
Turbine (10) nach Anspruch 1, wobei ein Schraubabschnitt (73), der mit einem Schraubabschnitt verschraubt ist, der an der Wandfläche des Rotorhauptkörpers (41) bereitgestellt ist, der die Kühlmittel-einleitende Passage (60) definiert, an einer Außenoberfläche (71a) des zylindrischen Körpers (71) bereitgestellt ist.
Turbine (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Länge (L2) der Öffnung kleinen Durchmessers (72b) des ersten Stopfens (70a) entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) kürzer ist als eine Länge (L1) der Öffnung großen Durchmessers (72a) des ersten Stopfens (70a) entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71).
Turbine (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Länge (L2) der Öffnung kleinen Durchmessers (72b) des zweiten Stopfens (70b) entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) länger ist als eine Länge (L1) der Öffnung großen Durchmessers (72a) des zweiten Stopfens (70b) entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71).
Turbine nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Länge (L2) der Öffnung kleinen Durchmessers (72b) entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) des ersten Stopfens (70a) kürzer ist als eine Länge (L1) der Öffnung großen Durchmessers (72a) entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) des ersten Stopfens (70a) und eine Länge (L2) der Öffnung kleinen Durchmessers (72b) entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) des zweiten Stopfens (70b) länger ist als eine Länge (L1) der Öffnung großen Durchmessers (72a) entlang der Axialrichtung des zylindrischen Körpers (71) des zweiten Stopfens (70b).
Turbine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jede der Kühlfuid-einleitenden Passagen (60) einen Einströmanschluss (61) aufweist, der eine Grenze zwischen der Kühlfluid-einleitenden Passage (60) und dem hohlen Teil (42) herstellt, und ein Abstand zwischen dem Einströmanschluss (61) von den Kühlfluid-einleitenden Passagen (60) und/oder der Achse des Rotorhauptkörpers (41) gleich einem Abstand zwischen dem Einströmanschluss (61) der anderen Kühlfluid-einleitenden Passagen (60) und/oder der Achse des Rotorhauptkörpers (41) ist.
Turbine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich der Turbinenrotor (40) aus zwei Strukturgliedern (40a, 40b) zusammensetzt, die miteinander durch Schweißen verbunden sind, der hohle Teil (42) durch die zwei Strukturglieder (40a, 40b) gebildet ist, und der hohle Teil (42) eine mittige Durchgangsöffnung (42b) besitzt, die sich durch eines der Strukturglieder (40a, 40b) entlang der Axialrichtung des Rotorhauptkörpers (41) erstreckt.
Turbine (10) nach Anspruch 7, wobei eines der beiden Strukturglieder (40a, 40b) eine höhere Wärmebeständigkeit besitzt als die Wärmebeständigkeit des anderen Strukturglieds (40a, 40b), und eine Zufuhrpassage (45), die das Kühlfluid dem hohlen Teil (42) zuführt, in besagtem anderen Strukturglied (40a, 40b) des Rotors gebildet ist.