DE60018861T2 - Kühlluftzufuhrsystem für einen Rotor - Google Patents

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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12Cooling of plants
    • F02C7/16Cooling of plants characterised by cooling medium
    • F02C7/18Cooling of plants characterised by cooling medium the medium being gaseous, e.g. air

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Feld der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlluft-Zufuhrsystem, welches für Rotoren verwendet wird, die bei hoher Temperatur betrieben werden und Kühlluft benötigen.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • 5 zeigt einen typischen Aufbau einer Kühlluft-Passage, die in einem Gasturbinenrotor verwendet wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • Ein oder mehrere der oben beschriebenen Ziele werden durch ein Kühlluftzufuhrsystem für einen Rotor, wie es in Anspruch 1 offenbart ist, erzielt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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:
  • 1 eine Längs-Querschnitt-Ansicht eines Gasturbinenrotors, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die an der Gasturbine angebracht ist, zeigt;
  • 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;
  • 3 ist eine Zeichnung, die die Neigung der Kühlluft-Düsen zur axialen Richtung hin erläutert;
  • 4 ist ein Diagramm der Geschwindigkeitskomponente für aus den Kühlluft-Düsen ausgegebene Kühlluft; und
  • 5 ist eine Längs-Querschnitts-Ansicht eines Gasturbinenrotors, der ein Kühlluft-Zufuhrsystem für einen Rotor gemäß dem Stand der Technik zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Im Anschluss werden die Ausführungsformen des Kühlluft-Zufuhrsystems für einen Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug die 1 bis 4 erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Anschluss wird der Aufbau der Kühlluft-Düsen (d.h. die geraden Luftpassagen) 71 mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. Kühlluft-Zufuhrsystem für einen Rotor, umfassend: eine Kühlluft-Passage (30), die in einem Schaft (11) angeordnet ist und sich in einer Richtung entlang der Achse des Schafts (11) erstreckt, wobei die Kühlluft-Passage (30) mit einer Luft-Einlassöffnung (33) versehen ist, die um den äußeren Umfang des Schafts angeordnet ist; eine kreisförmige Kühlluft-Zufuhrkammer (20), die den Schaft an dem Abschnitt umgibt, an dem die Luft-Einlassöffnung (33) platziert ist, und wobei die Kühlluft-Zufuhrkammer (20) mit einer unter Druck stehenden Luftquelle verbunden ist; eine Vielzahl von Kühlluft-Düsen zum Injizieren von Kühlluft aus der Kühlluft-Zufuhrkammer (20) in die Luft-Einlassöffnung (33) der Kühlluft-Passage (30); wobei die Kühlluft-Düsen als gerade Luftpassagen (71) ausgeformt sind, kreisförmige Querschnitte und Luft-Auslässe und -Einlässe aufweisen, die sich nahe der Luft-Einlassöffnung (33) der Kühlluft-Passage (30) und jeweils zu der Kühlluft-Zufuhrkammer (20) hin öffnen, wobei die geraden Luftpassagen (71) als Durchgangslöcher ausgeformt sind, die ein stationäres kreisförmiges Düsenelement (70), welches den Umfang des Schafts (11) umgibt, perforieren, und wobei jede Luftpassage (71) der Kühldüsen sich in einer Richtung tangential zum Umfang des Rotorschafts (11) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass jede Luftpassage (71) unter einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf eine ebene senkrecht zur Achse des Schafts (11) in axialer Richtung des Schafts (11) geneigt ist.
  2. Kühlluft-Zufuhrsystem für einen Rotor wie in Anspruch 1 beschrieben, wobei die geraden Luftpassagen (71) der Kühlluft-Düsen als gebohrte Löcher in dem stationären kreisförmigen Element (70) ausgebildet sind.
  3. Kühlluft-Zufuhrsystem für einen Rotor wie in Anspruch 1 beschrieben, wobei der vorbestimmte Winkel in einer derartigen Weise bestimmt wird, dass die von der Kühlluft-Düse ausgeworfene Kühlluft eine Geschwindigkeitskomponente tangential zum Umfang des Schafts (11), die im Wesentlichen die gleiche wie die umfängliche Geschwindigkeit des Schafts (11) ist, sowie eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Achse des Schafts (11), die im Wesentlichen die gleiche wie die Geschwindigkeit der durch die Kühlluft-Passage (30) in axialer Richtung fließenden Kühlluft ist, aufweist.
  4. Kühlluft-Zufuhrsystem für einen Rotor wie in Anspruch 1 beschrieben, wobei der Rotor ein Turbinenrotor einer Gasturbine (10) ist.
DE60018861T 1999-08-23 2000-08-23 Kühlluftzufuhrsystem für einen Rotor Expired - Fee Related DE60018861T2 (de)

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