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Hintergrund der Erfindung
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1. Feld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlluft-Zufuhrsystem, welches für Rotoren
verwendet wird, die bei hoher Temperatur betrieben werden und Kühlluft benötigen.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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5 zeigt
einen typischen Aufbau einer Kühlluft-Passage,
die in einem Gasturbinenrotor verwendet wird.
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In
Maschinen, die Rotoren aufweisen, welche bei hoher Temperatur betrieben
werden, sowie Gasturbinen, werden die Rotoren durch Zuführen von
Kühlluft
gekühlt.
Beispielsweise werden Rotorblätter
von Gasturbinen, die mit Hochtemperatur-Verbrennungsgas in Kontakt stehen, durch
Zuführen
von Kühlluft
durch innerhalb des Blatts ausgebildete Kühlluft-Passagen gekühlt, um die Haltbarkeit der Blätter zu
erhöhen. Üblicherweise
wird Kühlluft
durch axialer Kühlluft-Passagen,
die in der rotierenden Welle der Turbine ausgebildet sind, auf das
Rotorblatt zugeführt.
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Die
US 3,602,605 offenbart eine
Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, die stationäre
Düsen verwendet,
um Kühlluft
in rotierender Weise vor dem Injizieren der Kühlluft in die Kühlluftpassage
in dem Turbinenrotor auszurichten. Zusätzlich wird die Kühlluft druckverwirbelt,
wodurch Einführungsverluste
in einem gewissen Ausmaß reduziert werden.
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Die
US 4,674,955 verwendet eine
Druckverwirbelungs-Anordnung, um die tangentiale Geschwindigkeit
eines Kühlstroms,
der im Wesentlichen größer als
die tangentiale Geschwindigkeit des Rotors an dem Punkt ist, an
dem Kühlluft
auf den Rotor zugeführt
wird, aufzubringen. Die in dieser Anordnung verwendeten Düsen zeigen
einen komplizierten Aufbau und sind nicht in einer Richtung tangential zum äußeren Umfang
der Welle angeordnet.
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In 5 kennzeichnet
das Bezugszeichen 10 einen Gasturbinenrotor als Ganzes.
Der Rotor 10 beinhaltet eine Rotorwelle 11 sowie
eine Vielzahl von Turbinenscheiben 13, die mit der Welle 11 gekoppelt sind
(in 5 ist nur eine Turbinenscheibe gezeigt). Die Rotorblätter 15 zur
Aufnahme von Energie von Hochtemperatur-Verbrennungsgas, um den
Rotor 10 zu drehen, sind am äußeren Umfang der Scheiben 13 eingebettet.
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Wie
in 5 gezeigt ist eine zylindrische Hülse 31 um
den äußeren Umfang
der Rotorwelle 11 angeordnet. Die zylindrische Hülse 31 ist
an der Seitenfläche
der Rotorscheibe 13 angebracht und dreht sich zusammen
mit der Rotorwelle 11. Die zylindrische Hülse 31 weist
einen inneren Durchmesser auf, der größer als der äußere Durchmesser
der Welle 11 ist, und der Abstand zwischen der inneren
Oberfläche
der Hülse 32 und
der äußeren Oberfläche der Welle 11 bildet
eine kreisförmige
Kühlluft-Passage 30 aus.
Ein Ende der Kühlluft-Passage 30,
das der Turbinenscheibe 13 gegenübersteht, öffnet sich zu einer Kühlluft-Zufuhrkammer 20 hin
und agiert als kreisförmige
Lufteinlass-Öffnung 33.
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Die
Kühlluft-Zufuhrkammer 20 ist
in einem Gehäuse 50 ausgebildet,
welches den Rotor 10 als eine kreisförmige Kammer aufnimmt, die
das offene Ende umgibt (d.h. die kreisförmige Luft-Einlass-Öffnung 33)
der Hülse 31.
Labyrinth-Dichtungen 51 und 53 einer bekannten
Bauart sind an beiden axialen Enden der Kühlluft-Zufuhrkammer 20 angeordnet und
verhindern, dass Kühlluft
in der Kammer 20 durch die Abstände zwischen einem stationären Element
(d.h. dem Gehäuse 50)
und einem rotierenden Element (d.h. dem Rotor 11 und der
zylindrischen Hülse 31)
austreten.
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Kühlluft wird
von einer unter Druck stehenden Luftquelle (typischerweise von der
Ausgabe-Öffnung
des Luftkompressors der Gasturbine) auf die Kühlluft-Zufuhrkammer 20 durch
eine Kühlluft-Röhre 23 zugeführt. Aus
der Kühlluft-Zufuhrkammer 20 fließt Kühlluft in
die kreisförmige
Luft-Einlassöffnung 33,
die um den äußeren Umfang
der Welle 11 ausgebildet ist, und fließt durch die Kühlluft-Passage 30 in axialer
Richtung der Turbinenscheibe 13. An der Turbinenscheibe 13 wird
ein Teil der Kühlluft
zu den Basisabschnitten jeder der Blätter 15 durch radiale Luft-Passagen 13a zugeführt, die
in der Turbinenscheibe 13 angeordnet sind. Auf die Basen
der Blätter 15 zugeführte Luft
fließt
dann durch eine Blatt-Kühlluft-Passage, die innerhalb
der Blätter (nicht
gezeigt) ausgebildet ist, um das Material des Blatts 15 zu
kühlen,
und wird von Auslass-Löchern abgegeben,
die an den führenden
Kanten oder nachfolgenden Kanten des Blatts 15 angeordnet
sind. Der verbleibende Rest der Kühlluft (d.h. diejenige Kühlluft,
die nicht in die radiale Kühlluft-Passage 13a hineinfließt) wird
auf andere Turbinenscheiben (nicht gezeigt) durch eine axiale Passage 13b,
die durch die Turbinenscheibe 13 hindurch perforiert ist,
zugeführt, um
die Rotorblätter
anderer Rotoren zu kühlen.
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Wenn
Kühlluft
durch die Kühlluft-Passage 30 hindurchfließt, wird
eine Geschwindigkeitskomponente tangential zum äußeren Umfang der Welle auf den
Strom der Kühlluft
durch den Kontakt mit der äußeren Oberfläche der
Rotorwelle 11, die sich bei hoher Geschwindigkeit dreht,
aufgegeben, und Kühlluft in
der Passage 30 fließt über einen
spiralförmigen Fließweg um
die Welle 11 auf die Turbinenscheibe 13 hin. Dies
bewirkt einen Energieverlust an der Rotorwelle 11 in einer
Menge, die der kinetischen Energie, die mit der tangentialen Geschwindigkeitskomponente,
die am Lufteinlass 33 der Kühlluft-Passage 30 aufgegeben
ist, übereinstimmt.
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Um
den Energieverlust an der Rotorwelle aufgrund der zur Kühlluft aufgebrachten
tangentialen Geschwindigkeit zu reduzieren, werden in einigen Fällen tangentiale
Kühlluft-Düsen verwendet. Bei dem Kühlluft-System,
welches mit tangentialen Kühlluft-Düsen ausgestattet
ist, sind Luftdüsen,
die Kühlluft
in einer Richtung tangential zum äußeren Umfang der Rotorwelle
injizieren, in dem Gehäuse 50 nahe dem
Einlass 33 der Kühlluft-Passage 30 angeordnet. Da
Kühlluft
von den tangentialen Luftdüsen
in der Richtung tangential zum äußeren Umfang
der Welle 11 ausgestoßen
wird, wird die tangentiale Geschwindigkeitskomponente auf die Kühlluft aufgebracht,
bevor diese in die Kühlluft-Passage 30 fließt. Daher
wird der Energieverlust an der Rotorwelle aufgrund der tangentialen
Geschwindigkeitskomponente größtenteils
reduziert.
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Die
tangentialen Luftdüsen
bestehen aus eine Anzahl von Düsenelementen,
die Tragflächen-Querschnitte
aufweisen und radial um die Rotorwelle 11 an dem Lufteinlass 33 der
Kühlluft-Passage 30 angeordnet
sind, und Luft-Passagen werden durch den Abstand zwischen den Düsenelementen ausgebildet. Üblicherweise
sind die tangentialen Düsen
als Expansionsdüsen
ausgebildet, d.h. die Luft-Passagen der Düsen sind in einer solchen Weise
ausgestaltet, dass durch die Düsen
hindurchtretende Kühlluft
in den Luft-Passagen in den Düsen
expandiert und in tangentialer Richtung unter vorab bestimmter Geschwindigkeit
austreten. Die Druckdifferenz über
die Düsen,
d.h. die Druckdifferenz zwischen dem Druck der Luft in der Kühlluft-Zufuhrkammer 20 und
dem Druck der Luft am Lufteinlass 33 der Kühlluft-Passage 30 wird
in einer solchen Weise bestimmt, dass die Magnitude der Geschwindigkeit
der die Düsen
verlassenden Kühlluft
im Wesentlichen die gleiche ist wie die umfängliche Geschwindigkeit der rotierenden
Welle 11 während
des Betriebs der Gasturbine. Da Kühlluft auf der Düse in tangentialer Richtung
bei einer Geschwindigkeit, die die gleiche ist, wie die umfängliche
Geschwindigkeit der Welle 11, austritt, tritt eine Differenz
in der Magnitude der tangentialen Geschwindigkeitskomponenten dann
nicht auf, wenn Kühlluft
und die Rotorwelle einander berühren
und ein Energieverlust am Rotor nicht eintritt.
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Jedoch
treten dann Probleme auf, wenn Düsenelemente,
die einen Tragflächen-Querschnitt
aufweisen, für
tangentiale Luftdüsen
verwendet werden. Wenn Düsenelemente
des Tragflächentyps
verwendet werden, werden die tangentialen Düsen durch Anordnen separat
erzeugter Düsenelemente
durch Anordnen der jeweiligen Düsenelemente
um den Lufteinlass der Kühlluft-Passage
herum und deren Absichern an stationären Elementen in der Kühlluft-Zufuhrkammer
durch Schweißen
oder Löten
ausgebildet. Alternativ hierzu können
alle tangentialen Düsen
aus einem einstückigen
kreisförmigen
Element erzeugt sein, welches die radial hierin angeordneten Tragflächen-Düsenelemente beinhaltet, und kann
durch Gießen
oder durch Bearbeiten eines kreisförmig geformten Materials, beispielsweise durch
ein elektrisches Entlade-Verfahren, ausgebildet sein.
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Jedoch
erfordert, da die Form der Tragflächen-Düsenelemente und die Anordnung
hieran kompliziert ist, die Herstellung und die Anordnung der tangentialen
Düsen viele
Arbeitsstunden und ist daher kostenintensiv. Darüber hinaus kann, wenn Schweißen oder
Löten zum
Anordnen der Düsen
angewendet wird, eine Verschiebung der Düsen-Elemente aufgrund der hohen
Temperatur, die während der
Anordnung angewandt wurde, auftreten. Dieses bewirkt eine Ungenauigkeit
in der Richtung der aus den Düsen
ausgegebenen Kühlluft.
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Darüber hinaus
ist es, wenn die Tragflächentyp-Düsenelemente
verwendet werden, notwendig die jeweiligen Düsenelemente in einer Richtung
tangential zum äußeren Umfang
der Welle anzuordnen, d.h. die jeweiligen Düsenelemente müssen um
den äußeren Umfang
der Welle in einer solchen Weise angeordnet sein, dass jede der
Düsenelemente
an einer Ebene, die senkrecht zur Achse der Welle steht und unter
einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf den Radius der Welle geneigt
ist, angeordnet ist. Wenn die Auslässe der Düsen in der Nähe des äußeren Umfangs
der Welle platziert sind, wird die Neigung der Düsenelemente größer und
daher wird die Herstellung und Anordnung der tangentialen Düsen schwieriger.
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In
den oben erläuterten
tangentialen Luftdüsen
wird Kühlluft
aus den Düsen
nur in tangentialer Richtung ausgegeben. In anderen Worten hat die
aus den Düsen
ausgegebene Kühlluft
keine axiale Geschwindigkeitskomponente (d.h. eine Geschwindigkeitskomponente
in einer Richtung parallel zur Achse der Welle). Jedoch fließt von den
Düsen ausgegebene
Kühlluft
in axialer Richtung in die Kühlluft-Passage ein.
Daher muss von den Düsen
ausgegebene Kühlluft
deren Fließrichtung
hin zur axialen Richtung verändern,
wenn sie in die Kühlluft-Passage
hineinfließt. Diese
Veränderung
in der Fließrichtung
bewirkt einen Druckverlust im Strom der Kühlluft. Daher muss, wenn tangentiale
Luftdüsen
verwendet werden, der Druck der Luft in der Kühlluft-Zufuhrkammer angehoben
werden, um eine ausreichende Menge an Kühlluft-Strom zu erzielen. Wie vorab erläutert steigt,
da Kühlluft
von dem Gasturbinen-Luftkompressor zugeführt wird, wenn der Kühlluft-Zufuhrdruck
angehoben wird, der Energieverlust in der Gasturbine als Ganzes aufgrund
eines Anstiegs im Energieverbrauch des Luftkompressors an.
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Theoretisch
ist es möglich,
den durch die Veränderung
der Fließrichtung
der Kühlluft
bewirken Energieverlust durch Aufbringen einer axialen Geschwindigkeitskomponente
zusätzlich
zur tangentialen Geschwindigkeitskomponente zur von den tangentialen
Düsen ausgegebenen
Kühlluft
zu reduzieren. Jedoch müssen
die Düsen,
um die axiale Geschwindigkeitskomponente auf die Kühlluft aufzugeben,
zur axialen Richtung zusätzlich
zur tangentialen Richtung hin geneigt sein. Wenn die Düsenelemente des
Tragflächentyps
für die
Luftdüsen
verwendet werden ist es extrem schwierig, die Düsen zur tangentialen Richtung
und zur axialen Richtung hin gleichzeitig zu neigen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Im
Hinblick auf die vorab beschriebenen Probleme sind die Ziele der
vorliegenden Erfindung, ein Kühlluft-Zufuhrsystem
für einen
Rotor zu Verfügung zu
stellen, bei dem die Luftdüsen
bei niedrigen Kosten und mit hoher Genauigkeit erzeugt werden können, während gleichzeitig
der Druckverlust in der Kühlluft
aufgrund einer Veränderung
in der Fließrichtung
vermieden wird.
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Ein
oder mehrere der oben beschriebenen Ziele werden durch ein Kühlluftzufuhrsystem
für einen
Rotor, wie es in Anspruch 1 offenbart ist, erzielt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die Kühlluft-Düsen als
eine Vielzahl von geraden Luft-Passagen ausgebildet, die runde Querschnitte aufweisen
und durch das kreisförmige
stationäre
Element perforieren. Daher können
die Kühlluft-Düsen leicht bei niedrigen Kosten
erzeugt werden, beispielsweise durch Bohren von Durchtrittslöchern in das
stationäre
Element hinein. Darüber
hinaus kann, da die Kühlluft-Düsen durch
Bohren ausgebildet werden können,
eine hohe Genauigkeit der Dimensionen und Richtungen der Kühlluft-Düsen erzielt werden, ohne die
Herstellungskosten anzuheben. Somit können gemäß der vorliegenden Erfindung
die Kühlluft-Düsen genau und bei niedrigen
Kosten erzeugt werden.
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Darüber hinaus
steigt, da die Kühlluft-Düsen als
gerade Luft-Passagen
ausgebildet sind, die durch das stationäre Element hindurch perforieren,
die Freiheit für
die Anordnung der Düsen
verglichen mit dem Fall, bei dem Düsenelemente des Tragflächen-Typs
verwendet werden, bemerkenswert an.
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Die
Kühlluft-Düsen können leicht
derart angeordnet werden, dass die Düse verlassende Kühlluft eine
axiale Geschwindigkeitskomponente sowie eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente
aufweist, um einen Druckverlust in der Kühlluft aufgrund der Veränderung
der Fließrichtung
der Kühlluft
zu verhindern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird von der Beschreibung, wie sie im Anschluss
angegeben wird, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
In den Zeichnungen ist:
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1 eine
Längs-Querschnitt-Ansicht
eines Gasturbinenrotors, der eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die an der Gasturbine angebracht ist, zeigt;
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2 zeigt
eine Querschnitts-Ansicht, die entlang einer Ebene gesehen ist,
die senkrecht zur Achse der Rotorwelle steht, und die eine Anordnung der
Kühlluft-Düsen darstellt;
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3 ist
eine Zeichnung, die die Neigung der Kühlluft-Düsen
zur axialen Richtung hin erläutert;
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4 ist
ein Diagramm der Geschwindigkeitskomponente für aus den Kühlluft-Düsen ausgegebene Kühlluft;
und
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5 ist
eine Längs-Querschnitts-Ansicht eines
Gasturbinenrotors, der ein Kühlluft-Zufuhrsystem
für einen
Rotor gemäß dem Stand
der Technik zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Im
Anschluss werden die Ausführungsformen
des Kühlluft-Zufuhrsystems für einen
Rotor gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug die 1 bis 4 erläutert.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines Kühlluft-Zufuhrsystems für einen
Rotor, das an einem Gasturbinen-Rotor angebracht ist. In 1 kennzeichnen
die gleichen Bezugszeichen wie in 5 ähnliche
Elemente.
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In
dem Kühlluft-Zufuhrsystem
in 1 ist die zylindrische Hülse 31 an der Scheibe 13 eines
Gasturbinen-Rotors 10 in einer Weise angebracht, die ähnlich der
in 5 ist, und die kreisförmige Kühlluft-Passage 30 ist
zwischen der inneren Oberfläche der
Hülse 31 und
dem äußeren Umfang
der Rotorwelle 11 ausgebildet.
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Jedoch
erstreckt sich die Labyrinth-Dichtung 51, die an der Scheibe 13 zugewandten
Seite der Kühlluft-Zufuhrkammer 20 platziert
ist, über
das offene Ende (d.h. den kreisförmigen
Lufteinlass) 33 der zylindrischen Hülse 31 in die Kühlluft-Zufuhrkammer 20 hinein,
um die äußeren Umfänge der
Hülse 31 und der
Rotorwelle 11 abzudichten. Darüber hinaus ist ein stationäres kreisförmiges Düsenelement 70,
welches die Welle 11 umgibt, an der Innenseite der Labyrinthdichtung 51 nahe
dem offenen Ende 33 der Hülse 31 fixiert. Das
stationäre
kreisförmige
Düsenelement 70 ist
ein Ring, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist, und eine
Vielzahl von geraden Luftpassagen 71, die als Kühlluft-Düsen agieren,
ist in gleichen Intervallen in dem kreisförmigen Düsenelement 70 ausgebildet.
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Eine
Vielzahl von Öffnungen 55 ist
am äußeren Umfang
des Labyrinths 51 an Abschnitten vorgesehen, die mit den
Orten der jeweiligen Luft-Passagen 71 korrespondieren.
Daher fließt
in dieser Ausführungsform,
da der Lufteinlass 33 der Kühlluft-Passage 30 von
der Kühlluft-Zufuhrkammer 20 über die Labyrinth-Dichtung 51 isoliert
ist, Kühlluft
in der Kühlluft-Zufuhrkammer 20 in
den Lufteinlass 33 nur durch Öffnungen 55 der Labyrinth-Dichtung 51 und
die Luft-Passagen 71.
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Im
Anschluss wird der Aufbau der Kühlluft-Düsen (d.h.
die geraden Luftpassagen) 71 mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des stationären kreisförmigen Düsenelements 70, gesehen entlang
einer Ebene, die senkrecht zur zentralen Achse der Rotorwelle 11 steht,
und 3 ist eine Ansicht des kreisförmigen Düsenelements 71 von
einer Richtung, die durch den Pfeil X in 2 gekennzeichnet
ist (d.h. eine Ansicht in radialer Richtung der Welle 11).
Wie in 2 gezeigt sind die Kühlluft-Düsen 71 an dem kreisförmigen Düsenelement 70 unter einem
gleichmäßigen Intervall
in umfänglicher
Richtung angeordnet. Jede der Kühlluft-Düsen 71 besteht aus
einem Düsenloch 71a,
einem Düsen-Einlassloch 71b sowie
einem Reduzierabschnitt 71c, wobei sämtliche kreisförmige Querschnitte
aufweisen. Das Düsenloch 71a und
das Düseneinlassloch 71b sind als
gerade Löcher
ausgebildet und das Düsenloch 71a öffnet sich
am inneren Umfang des kreisförmigen Düsenelements 70,
während
sich das Düsen-Einlassloch 71b am äußeren Umfang
des gleichen öffnet.
Das Düsenloch 71a weist
einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der des Düsen-Einlasslochs 71b,
und der Reduzierabschnitt 71c hat eine kegelförmige Form,
die das Düsenloch 71a und
das Düsen-Einlassloch 71b sanft
miteinander verbindet.
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Wie
in 2 gezeigt sind, wenn aus der Richtung entlang
der zentralen Achse der Rotorwelle 11 gesehen, die Kühlluft-Düsen 71 derart
angeordnet, dass die zentrale Achse 72 jeder Kühlluft-Düse 71 sich
in einer Richtung erstreckt, die tangential zum äußeren Umfang der Rotorwelle 11 verläuft. In
anderen Worten sind die Kühlluft-Düsen 71 der
vorliegenden Ausführungsform
als tangentiale Kühlluft-Düsen ausgebildet.
Jedoch neigt sich in dieser Ausführungsform
die zentrale Achse 72 jeder Kühlluft-Düse 71 auf einer axiale
Richtung von einer Ebene aus, die senkrecht zur zentralen Achse
der Rotorwelle 11 steht. In anderen Worten neigt sich,
wie in 3 gezeigt und wenn aus der Richtung
gesehen, die senkrecht zur zentralen Achse der Rotorwelle 11 aus
gesehen ist, die zentrale Achse 72 der Kühlluft-Düse 71 in
dieser Ausführungsform
um einen Winkel θ von
der Ebene, die senkrecht zur zentralen Achse der Rotorwelle 11 steht,
auf die Turbinenscheibe 13 hin.
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4 zeigt
ein Geschwindigkeitsdiagramm der Kühlluft, die die Kühlluft-Düsen 71 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
verlässt.
Wie in 4 gezeigt weist aufgrund des Neigungswinkels θ der zentralen
Achse 72 der Düse 71,
wenn Kühlluft
von der Düse 71 bei
einer Geschwindigkeit V abgegeben wird, die Kühlluft eine axiale Geschwindigkeitskomponente
(d.h. die Geschwindigkeitskomponente parallel zur zentralen Achse
der Welle 11) VA sowie die tangentiale Geschwindigkeitskomponente
(d.h. die Geschwindigkeitskomponente in Richtung tangential zum äußeren Umfang
der Welle 11) VT auf. Wie aus 4 ersichtlich
werden VA und VT durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt: VA
= V × sin θ und VB =
V × cos θ.
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In
dieser Ausführungsform
wird der Winkel θ und
die Fließgeschwindigkeit
V der Kühlluft
in einer solchen Weise bestimmt, dass die tangentiale Geschwindigkeitskomponente
VT der Kühlluft
im Wesentlichen die gleiche wird, wie die umfängliche Geschwindigkeit der
Rotorwelle 11 bei der Umdrehungsgeschwindigkeit bei Nenn-Betriebsbedingungen
der Gasturbine, und die axiale Geschwindigkeitskomponente VA wird
im Wesentlichen die gleiche, wie die Geschwindigkeit der Kühlluft,
die durch die Kühlluft-Passage 30 in
axialer Richtung (d.h. der Richtung parallel zu zentralen Achse
der Welle 11) bei den Nenn-Betriebsbedingungen der Gasturbine fließt.
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Die
umfängliche
Geschwindigkeit der Rotorwelle bei Nenn-Betriebsbedingungen der Gasturbine ist
als Auslegungs-Wert gegeben. Darüber
hinaus wir die axiale Geschwindigkeit der durch die Kühlluft-Passage 30 fließenden Kühlluft durch
die erforderliche Fließrate
der Kühlluft
bei Nenn-Betriebsbedingungen
der Gasturbine bestimmt.
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Daher
ist die axiale Geschwindigkeitskomponente VA ebenso ein bekannter
Wert. Infolgedessen wird die Geschwindigkeit der die Düse 71 verlassenden
Kühlluft,
d.h. die Kühlluft-Injektionsgeschwindigkeit
V durch V = (VT2 + VA2)1/2 berechnet, und der Winkel θ der Neigung
der Düse 71 wird
durch die Gleichung θ =
tan–1 (VA/VT)
berechnet. Darüber
hinaus werden die Durchmesser des Düsenlochs 71a und des
Düsen-Einlasslochs 71b durch
ein bekanntes Verfahren unter Verwendung der Injektions-Geschwindigkeit
V und einer erforderlichen Fließrate der
Kühlluft
bestimmt.
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Wie
oben erläutert
weist die die Kühlluft-Düse 71 verlassende
Kühlluft
in dieser Ausführungsform
eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente auf, die gleich der
umfänglichen
Geschwindigkeit der Rotorwelle 11 ist, und eine axiale
Geschwindigkeitskomponente, die gleich der axialen Geschwindigkeit der
durch die Kühlluft-Passage 30 in
dieser Ausführungsform
fließenden
Kühlluft.
Daher fließt
die die Düse 71 verlassende
Kühlluft
in die Kühlluft-Passage 30 im
Wesentlichen ohne Veränderung
ihrer Fließrichtung
ein. Somit kann in dieser Ausführungsform der
Druckverlust in der Kühlluft,
der durch die Veränderung
in der Fließrichtung
der Kühlluft
bewirkt wird, und der Energieverlust an der Rotorwelle, der durch Aufbringen
einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente auf die Kühlluft bewirkt
wird, verhindert werden.
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Darüber hinaus
sind die jeweiligen Kühlluft-Düsen 71 als
gerade Löcher
ausgebildet, die runde Querschnitte aufweisen. Daher können die
Kühlluft-Düsen 71 leicht
mit hoher Genauigkeit durch Bearbeiten stationärer kreisförmiger Düsen-Elemente 70, beispielsweise
durch Bohren ausgebildet werden. Durch dieses Merkmal wird in der
vorliegenden Ausführungsform verglichen
mit dem Fall, bei dem konventionelle Düsenelemente des Tragflächen-Typs
verwendet werden, das kosten- und arbeitsintensive Erzeugen der
Kühlluft-Düsen 71 merklich
reduziert. Darüber
hinaus tritt, da Schweißen oder
Löten zur
Erzeugung der Kühlluft-Düsen 71 in dieser
Ausführungsform
nicht erforderlich sind, ein thermischer Verzug der Düsen während des
Herstellungsprozesses nicht auf. Somit wird die Genauigkeit der
Form und der Ausrichtung der Düsen
deutlich angehoben.
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Es
ist war, dass der Druckverlust in der Kühlluft über die Düse, die eine gerade Luft-Passage
aufweist verglichen mit Fall, wo Düsen-Elemente des Tragflächen-Typs
verwendet werden, größer wird. Jedoch
ist bei dem Kühlluft-Zufuhrsystem
für einen Gasturbinen-Rotor
die Geschwindigkeit der Kühlluft am
Auslass der Düse
relativ gering (beispielsweise 100 bis 200 Meter/Sekunde) und das
Druckverhältnis der
Kühlluft über die
Düse ist
ebenso relativ gering (beispielsweise weniger als etwa 1,2). Daher
ist der Anstieg im Druckverlust der Kühlluft bei Verwendung von Düsen mit
gerader Luft-Passage vernachlässigbar
klein. Somit wird durch Verwendung der Düse mit gerader Luft-Passage
in dieser Ausführungsform
die Effizienz der Gasturbine als Ganzes aufgrund des Absinkens des
Druckverlusts der Kühlluft
aufgrund der Veränderung
in der Fließrichtung
verbessert.
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Es
ist selbstverständlich
aus der oben dargelegten Erläuterung,
dass die vorliegende Erfindung ein Kühlluft-System für einen Rotor zur Verfügung stellt,
welches in der Lage ist, die Herstellungskosten zu reduzieren und
zur gleichen Zeit die Effizienz der Gasturbine als Ganzes zu erhöhen.