DE69621867T2

DE69621867T2 - System um den Rotor eines Gasturbinenkompressors zu kühlen

Info

Publication number: DE69621867T2
Application number: DE69621867T
Authority: DE
Inventors: Christopher Charles Glynn; Dean Thomas Lenahan; Frederick Martin Miller; Poul Dyhr Pedersen; Larry Wayne Plemmons; Curtis Walton Stover
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2016-03-21
Also published as: JP3894980B2; EP0735255B1; EP0735255A1; IN186064B; US5685158A; KR100413754B1; JPH094467A; KR960034693A; DE69621867D1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine neue Land-basierte Gasturbine in einer Einfach- oder Kombinationszykluskonfiguration, die einem Benutzer gestattet, Luft- oder Dampfkühlung von gewissen heißen Gasturbinenteilen mit minimaler Änderung in den Komponenten zu wählen, und die auch Auslegungsänderungen enthält, die ermöglichen, dass gewisse Turbinenkomponenten ohne Änderung in sowohl 50 als auch 60 Hz Turbinen verwendet werden können. Die in dieser Anmeldung offenbarte Erfindung bezieht sich speziell auf die Kühlung der letzten Stufen des Axialströmungsverdichters der Gasturbine, um eine Erhöhung in dem Verdichterausgangsdruck zu gestatten, wodurch die Ausgangsleistung der Gasturbine vergrößert wird.
Gegenwärtige große industrielle (Land-basierte) Gasturbinenerfordernisse enthalten einen Verdichterrotor mit einer Kriechbruchlebensdauer von wenigstens 240.000 Stunden bei Vollleistungsbedingungen. Die Verdichterausgangs-Lufttemperatur ist ein Hauptfaktor bei der Ermittlung der Kriechbruchlebensdauer, weil der Rand der letzten Stufe des Verdichterrotors (der Verdichter- "Rotor" enthält mehrere mit Schaufeln versehene Scheiben oder Räder der verschiedenen Verdichterstufen, die durch mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete, axial verlaufende Bolzen zusammengehalten werden) vollständig der Lufttemperatur der Ausgangsströmungsbahn des Verdichters ausgesetzt sind. Somit bestimmt die Luftausgangstemperatur des Verdichters das erforderliche Rotormaterial, um die erforderliche Kriechbruch- lebensdauer zu erzielen. In der Vergangenheit ist die Verdichterausgangstemperatur auf etwa 399ºC (750ºF) in dem Bemühen begrenzt gewesen, den Rand der letzten Rotorscheibe des Verdichters an oder unter dieser Temperatur zu halten, um die Verwendung von billigen Materialien, wie beispielsweise CrMoV Legierungen zu ermöglichen.
Es könnten zwar teurere Materialien, wie beispielsweise INCO-706 für die Rotorscheiben des Verdichters verwendet werden, aber die Materialkosten sind ein Hemmnis aufgrund der massiven Größe der Maschine.
In DE-U-86 05 507.0 ist eine Gasturbine allgemein gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 beschrieben.
Bei jedem neuen Gasturbinentriebwerk für Energieerzeugungsanwendungen, wo Betriebskosten kritisch sind, gibt es auch eine ständige Notwendigkeit, die Dollar-Kosten pro Kilowatt zu senken. Um dies zu tun, ist es notwendig, die Ausgangsleistung der Gasturbine zu erhöhen, ohne die Triebwerksgröße zu erhöhen. Der beste Weg, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, das Verdichterdruckverhältnis und somit den Verdichterausgangsdruck (CDP von compressor discharge pressure) zu vergrößern. Die Vergrößerung des CDP gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verdoppelt die Verdichterströmung und verdoppelt somit die Ausgangsleistung des Triebwerks, aber ohne dass eine Vergrößerung in der Triebwerk/ Rahmengröße erforderlich ist. Der Nachteil dieser Methologie entsteht dadurch, dass die Verdichterausgangstemperatur ebenfalls ansteigt, in diesem Fall um etwa 83ºC (150ºF) auf etwa 482ºC (900ºF).
Gemäß der Erfindung wird eine Gasturbine geschaffen, die die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale hat.
In dem Bestreben, das Problem zu lösen, das aus dem erhöhten CDP entsteht, wurde festgestellt, dass, um das weniger teure CrMoV Material in einer fortgeschrittenen industriellen Gasturbinen-Verdichteranwendung zu benutzen, es notwendig ist, dass das Scheibenrandmaterial der letzten Verdichterstufe 441ºC (825ºF) nicht übersteigen darf und dass die Verdichterrotorbohrung 371ºC (700ºF) nicht übersteigen darf. Bei der Erhöhung der Verdichterausgangstemperatur auf etwa 482ºC (900ºF), die mit der Erhöhung des CDP verbunden ist, ist es eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, den Scheibenrand von der letzten Verdichterstufe von der erhöhten Strömungsbahntemperatur des Verdichters von etwa 482ºC (900ºF) auf etwa 441ºC (825ºF) zu kühlen und die Verdichterbohrungstemperatur bei etwa 371ºC (700ºF) zu halten. Der erste Schritt zum Erreichen dieses Zieles besteht darin, eine gut definierte Menge an Kühlluft zu dem Bereich des Scheibenrandes der letzten Stufe bei einem Druck zuzuführen, der höher als der statische Druck des Hauptdampfes des Verdichters ist. Die primäre Lösung gemäß dieser Erfindung besteht darin, Verdichterausgangsluft von dem in üblicher Weise angeordneten Brennergehäuse (d. h. stromabwärts von dem Verdichterdiffusor) als eine Quelle von Kühlluft für die letzten Stufen des Verdichters abzuziehen. Die von dem Brennergehäuse abgezogene Kühlluft wird zuerst an einen Wärmetauscher geliefert, wo die Luft gekühlt wird. Sie wird dann zum Verdichterrotor zurückgeleitet über ein Strömungssteuerventil, ein äußeres Verteilersystem und viele auf dem Umfang im Abstand angeordnete radiale Versorgungsrohre. Die Kühlluft strömt durch die radialen Rohre und wird einer inneren 360º Kammer über und vor der ringförmigen CDP Dichtung zugeführt.
Nachdem die Kühlluft in die Kammer eintritt, strömt sie nach hinten (d. h. entgegengesetzt zur Richtung der normalen Verdichterluftströmung) zur hinteren Kammer (Rückkammer) des Verdichterrotors. Die Strömung wird dann in drei Komponententeile geteilt. Ein erster Teil bildet eine Verdichterreinigungsströmung, die in die Verdichtungsströmungsbahn hinter der letzten Stufe des Verdichters ausströmt. Diese Komponente der Kühlluft wird dazu verwendet, zu verhindern, dass heiße Verdichterströmung in die Rotorkammer des Verdichters eingesaugt wird. Eine zweite Komponente bildet Kühlluft für den Rand des I Verdichterrotors. Diese zweite Komponente strömt durch axiale Kanäle in der hinteren Kühlplatte des Verdichterrotors und durch axiale Kanäle, die zwischen den Schaufelschaften und den Unterseiten der Scheibennut gebildet sind, um die Ränder der Scheiben in den letzten fünf Stufen des Verdichters zu kühlen. i Die dritte und letzte Kühlluftkomponente strömt im Bypass um eine Hemmdichtung (ein integraler Teil der CDP Dichtung) herum, die die hintere Rotorkammer des Verdichters von der Luftversorgungskammer für die Temperatursteuerung des CDP Dichtung/Rotors trennt. Ein gewisser Teil dieser dritten Komponente der Kühlluft wird über radiale Rohre der Verdichterrotorbohrung zugeführt zum Kühlen der Bohrung und der Rotorscheiben, während ein verbleibender Teil der dritten Komponente in vorbestimmter Weise über die CDP Dichtung austritt und sich schließlich mit den Verbrennungsgasen in der Gasturbine mischt.
Eines der besonderen Merkmale dieser Erfindung liegt in dem Aufbau der CDP Dichtung, die die Strömung von Kühlluft beim Einführen in den Verdichter richtet. Die CDP Dichtung enthält eine sich nach hinten erstreckende Hemmdichtung (wie oben erwähnt), die, zum Teil, eine obere Verdichterrotorkammer und eine untere Verdichterrotorkammer bildet. Die Strömung der oberen Kammer wird anschließend in die ersten und zweiten Strömungskomponenten geteilt, die oben erwähnt sind, während die Strömung der unteren Kammer die dritte Komponente der Kühlluftströmung zur CDP Dichtung und der Verdichterrotorbohrung liefert. Die Hemmdichtung verhindert auch jede Rezirkulation der Strömung von der unteren Kammer zurück in die obere Kammer. Als eine Folge wird die Strömung in der unteren Kammer wärmer sein als die Strömung in der oberen Kammer. Diese Lösung gestattet, dass die Verdichterscheiben auf eine Temperatur von etwa 371ºC (700ºF) an der Bohrung und etwa 427ºC (800ºF) am Rand gesteuert wird.
Ein weiteres Merkmal der CDP Dichtung besteht darin, dass sie gestattet, dass sowohl die Rotor- als auch Statorkomponenten in der gleichen gekühlten Luft gebadet werden. Somit ist das stationäre thermische Wachstum von sowohl Rotor- als auch Statorkomponenten vergleichbar und auf einem niedrigeren Wert, wenn er mit einer Dichtung verglichen wird, durch die Verdichterausgangsluft (482ºC bzw. 900ºF) hindurchströmt. Die Masse der Rotor- und Statorkomponenten und auch die Wärmeübertragung können angepasst werden, um eine vergleichbare thermische Ansprechgeschwindigkeit zu erzielen. Dies hat eine CDP Dichtung zur Folge, die bei allen Betriebsbedingungen enge Spielräume hat.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist das verwendete Verfahren, um die Verdichterscheibenränder als Teil der zweiten Kühlkomponente zu kühlen. Die gekühlte CDP Luft, die der oberen hinteren Rotorkammer des Verdichters bei 354ºC (670ºF) zugeführt wird, wird in den Rotor durch axiale Löcher in der hinteren Kühlplatte eingebracht. Wenn die Kühlluft in den Rotor eingebracht wird, prallt die Luft auf die Rückseite des letzten Scheibensteges zwischen dem Trägheitsring und dem Rand. Dies hilft, den Verdichterscheibensteg und auch den Rand zu kühlen. Da es eine signifikante Größe an kühlender Wärmeübertragungsfläche gibt, ist es recht einfach, den letzten Scheibenrand auf 441ºC (825ºF) runterzukühlen, wo das CrMoV Scheibenmaterial für mehr als 240.000 Stunden überleben kann. Wenn sich die kalte Luft an Bord des Rotors befindet, wo die relative Lufttemperatur 399ºC (750ºF) beträgt, kann sie in axialer Richtung durch Schlitze zwischen dem Scheibennutboden (oder Fugen) und den Schaufelschaften in den letzten fünf Scheiben strömen.
Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist das Temperatursteuersystem des Verdichterrotors. Die Temperatursteuerung wird mit der Temperatursteuerluft des Rotors erreicht, die von der unteren hinteren Kammer (Rückkammer) des Verdichterrotors, vor der CDP Dichtung, an Bord des Verdichterrotors gebracht und in die Verdichterbohrung als Teil der dritten Komponenten der Kühlluft eingeführt wird. Die gesamte Verdichterbohrungsströmung wird in vorbestimmte Strömungselemente unterteilt, die radial nach außen zwischen die letzten fünf Verdichterscheiben gerichtet werden. Der Zweck der Rotorbohrungsströmung besteht darin, eine gut definierte Strömungs- und Wärmeübertragungsumgebung um die einzelnen Scheiben der letzten fünf Stufen des Verdichters herum auszubilden. Die Wärmeübertragung sollte hoch genug sein, um die thermische Ansprechgeschwindigkeit auf den Punkt zu erhöhen, wo sie an die thermische Ansprechgeschwindigkeit der Rotorstruktur angepasst ist. Durch Anpassen der thermischen Ansprechgeschwindigkeit des Rotors an die Statorstruktur wird eine thermische Wachstumsumgebung erzeugt, wo die radialen thermischen Wachstumsraten von Rotor und Stator bei jeder transienten oder stationären Bedingung angepasst sind. Wenn die Kühlluft des Verdichterrotors radial nach außen durch den Trägheitsring strömt, wird sie in die axialen Schlitze am Innendurchmesser der Scheibenfugen eingeleitet. Die verschiedenen Ausgangsdrucke, die die Kühlluft in die Verdichterströmungsbahn ableiten wollen, zeigen, dass die Kühlluft immer zu einem gut definierten Senkendruck strömt, der durch die Aerodynamik des Verdichters gesteuert wird. Dies gewährleistet, dass der Kühlaufbau des Verdichterrotors übereinstimmende Strömungsparameter während der detaillierten Betriebsausführung bei Bedingungen sowohl am Arbeitspunkt als auch außerhalb des Arbeitspunktes hat.
Mehrere zusätzliche Merkmale sind ebenfalls in die Erfindung inkorporiert und werden mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In ihren breiteren Aspekten weist die Erfindung eine Land-basierte Gasturbine auf, enthaltend einen Verdichter mit einer Bohrung und einem Rotor, der von vielen Stufen gebildet ist, die sich zwischen einer ersten Stufe an einem vorderen Ende des Verdichters und einer letzten Stufe am hinteren Ende des Verdichters erstrecken, wobei jede Stufe eine Rotorscheibe mit einem Umfangsrand und viele an dem Umfangsrand befestigte Schaufeln aufweist, ein Verbrennungssystem mit mehreren Brennern, die Ausgangsluft aus dem Axialströmungsverdichter zur Verbrennung verwenden, und viele Turbinenstufen, die durch Verbrennungsgase aus dem Verbrennungssystem angetrieben werden, wobei die Verbesserung Mittel aufweist zum Zuführen von Kühlluft wenigstens zu einem Umfangsrand von der letzten Stufe des Verdichters.
In einem weiteren Aspekt enthält die vorliegende Erfindung eine Land-basierte Gasturbine enthaltend einen Verdichter mit einem Rotor und mehreren mit Schaufeln versehenen Scheiben und zugeordneten Rändern, die sich von einem vorderen Ende zu einem hinteren Ende des Verdichters erstrecken; mehrere Brenner und ein Gehäuse, das die Brenner umgibt und so angeordnet ist, dass Luft von dem Verdichter zu den Brennern gerichtet wird; und eine Turbine mit vielen Stufen, die durch Verbrennungsgase aus den mehreren Brennern angetrieben werden, und wobei Kühlluft zum Kühlen des Verdichterrotors verwendet wird, wobei die Verbesserung wenigstens eine Abzugsöffnung in dem Gehäuse und zugeordnete Leitungen zum Zuführen von Verdichterausgangsluft als Kühlluft zu wenigstens einigen der mehreren mit Schaufeln versehenen Scheiben und zugeordneten Rändern am hinteren Ende des Verdichters aufweist.
In einem noch weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Land-basierte Gasturbine enthaltend einen Verdichter mit einem Rotor und mehreren mit Schaufeln versehenen Scheiben und zugeordneten Rändern, die sich von einem vorderen Ende zu einem hinteren Ende des Verdichters erstrecken; mehrere Brenner, die von einem Gehäuse umgeben und so angeordnet sind, dass sie Verbrennungsluft von dem Verdichter empfangen; und eine Turbine mit vielen Stufen, die durch Verbrennungsgase aus den mehreren Brennern angetrieben werden, und wobei Kühlluft zum Kühlen des Verdichterrotors verwendet wird, ein Verfahren zum Halten wenigstens der letzten der Scheiben und ihres zugeordneten Randes auf einer vorbestimmten Temperatur, enthaltend die Schritte:
a) Abziehen von Kühlluft aus dem Gehäuse;
b) Einführen der Kühlluft in den Verdichter in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Strömungsrichtung der Verbrennungsluft; und
c) Kühlen der letzten Stufe und ihres zugeordneten Randes auf eine vorbestimmte Temperatur.
Die Hauptvorteile dieser Erfindung können wir folgt zusammengefasst werden:
1. Es kann billiges CrMoV Material für die Verdichterscheiben und zugehörige Hardware (z. B. Abstandsstücke) verwendet werden, trotz einer Erhöhung von 83ºC (150ºF) der Temperatur der Verdichterausgangsluft. Dies hat eine signifikante Kostensenkung für jedes Gasturbinentriebwerk zur Folge.
2. Der CDP Dichtungsspalt kann auf einem engen Wert gehalten werden, indem sowohl der Verdichterrotor als auch Statorkomponenten in Luft der gleichen Temperatur gebadet werden. Die Luft, die die CDP Dichtung umspült, ist auch um etwa 83ºC (150ºF) kälter, was ein kleineres thermisches Wachstum und somit engere Spielräume zur Folge hat. Die CDP Dichtung ist so eingestellt, dass die thermische Ansprechgeschwindigkeit des Rotors und des Stators angepasst sind, indem auf einfache Weise die Masse der statischen Struktur während der einzelnen Betriebsphase eingestellt wird. Das Endergebnis ist eine CDP Dichtung mit weniger Leckage und signifikant kleinerer Verschlechterung.
3. Die Spitzenspaltsteuerung der Verdichterschaufeln und auskragenden Leitschaufeln ist stark verbessert mit einem gut definierten Verdichterrotor-Kühlsystem. Die thermische Ansprechgeschwindigkeit des Rotors ist schneller und kommt somit viel näher an eine Anpassung des thermischen Ansprechverhaltens der Leitschaufel-Halterungsstruktur des Verdichters. Weitere Aufgaben und Vorteile werden aus der detaillierten Beschreibung deutlich, die folgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm von einer Einfachzyklus-, Einwellen-, Hochleistungs-Gasturbine;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm von einer Kombinationszyklus-Gasturbine/Dampfturbine in ihrer einfachsten Form;
Fig. 3 ist ein Teilquerschnitt von einem Teil der Gasturbine und eines Axialströmungsverdichters gemäß dieser Erfindung;
Fig. 4 ist ein vergrößerter Querschnitt von den hinteren Stufen des Axialströmungsverdichters gemäß dieser Erfindung;
Fig. 5 ist eine vergrößerte Detaildarstellung aus Fig. 4;
Fig. 6 ist ein axialer Teilschnitt von einer Verdichterrotorscheibe gemäß der Erfindung; und
Fig. 7 ist eine radiale Draufsicht auf die in Fig. 6 gezeigte Rotorscheibe.

Beste Art zum Ausführen der Erfindung

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm für eine Einfachzyklus-, Einwellen-, Hochleistungs-Gasturbine 10. Die Gasturbine kann in der Weise betrachtet werden, dass sie einen vielstufigen Axialströmungsverdichter 12 mit einer Rotorwelle 14 aufweist. Luft tritt in den Einlass des Verdichters bei 16 ein, wird durch den Axialströmungsverdichter 12 verdichtet und dann in einen Brenner 18 ausgestoßen, wo Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, verbrannt wird, um hochenergetische Verbrennungsgase zu liefern, die eine Turbine 20 antreiben. In der Turbine 20 wird die Energie der heißen Gase in Arbeit umgewandelt, wobei ein Teil davon zum Antreiben des Verdichters 12 über die Welle 14 verwendet wird und der Rest für Nutzarbeit verfügbar ist, um eine Last, wie beispielsweise einen Generator 22, durch eine Welle 24 (eine Verlängerung der Welle 14) zur Erzeugung von Elektrizität anzutreiben. Eine typische Einfachzyklus-Gasturbine wandelt 30 bis 55% des eingegebenen Brennstoffes in Wellenausgangsleistung um. Der gesamte Rest, bis auf ein bis zwei Prozent, liegt in der Form von Abwärme vor, die die Turbine 20 bei 26 verlässt.
Fig. 2 stellt den Kombinationszyklus in seiner einfachsten Form dar, bei dem die Energie in den Abgasen, die die Turbine 20 bei 26 verlassen, in zusätzliche nutzbare Arbeit umgewandelt wird. Die Abgase treten in einen Wärmerückgewinnungs- Dampfgenerator (HRSG von heat recovery steam generator) 28 ein, in dem Wasser nach Art eines Boilers in Dampf umgewandelt wird. Der somit erzeugte Dampf treibt eine Dampfturbine 30 an, in der zusätzliche Arbeit entnommen wird, um über eine Welle 32 eine zusätzliche Last anzutreiben, wie beispielsweise einen zweiten Generator 34, der seinerseits zusätzliche elektrische Energie erzeugt. In einigen Konfigurationen treiben die Turbinen 20 und 30 einen gemeinsamen Generator an. Kombinierte Zyklen, die nur elektrische Energie erzeugen, sind in dem Bereich von 50% bis 60% des thermischen Wirkungsgrades, wobei die fortgeschritteneren Gasturbinen verwendet werden.
Fig. 3 stellt mit weiteren Einzelheiten die Schnittstelle zwischen dem Axialströmungsverdichter 12 und der Turbine 20 dar, die der Fokus dieser Erfindung ist. Luft aus dem Verdichter 12 wird an die mehreren, ansonsten üblichen Brenner 36 (einer gezeigt) abgegeben, die in Umfangsrichtung um den Rotor 14 herum in der üblichen Art und Weise angeordnet sind. Die Gasturbine 10 gemäß der Erfindung ist so gezeigt, dass sie den Axialströmungsverdichter 12 enthält, dessen letzte fünf Stufen am hinteren Ende allgemein bei 62 gezeigt sind.
Das Verbrennungssystem für die Gasturbine ist ein typisches Rückströmungs-Vielbrennersystem, das die Verdichterausgangsluft verwendet, die zur Rückseite des Brenners und dann nach vorne durch die Verbrennungsauskleidung und zugeordnete Verbrennungszone geleitet wird. Das Verbrennungssystem als solches ist bekannt und braucht nicht mit weiteren Einzelheiten beschrieben zu werden. Nach der Verbrennung werden die entstehenden Gase dazu verwendet, die Turbine 20 anzutreiben, die in dem vorliegenden Beispiel vier aufeinanderfolgende Stufen aufweist, die durch vier Räder 38, 40, 42 und 44 dargestellt sind, die ein integraler Bestandteil des Rotors 14 sind. Jedes Rad enthält Schaufeln, die auf entsprechende Weise durch Laufschaufeln 46, 48, 50 und 52 dargestellt sind, die abwechselnd zwischen feststehenden Statoren angeordnet sind, die durch Leitschaufeln 54, 56, 58 und 60 dargestellt sind.
In einem die vielen Brenner umgebenden Bereich, der zum Teil durch das feststehende Turbinengehäuse 64 definiert ist, das die Brenner umgibt, ist eine Öffnung 66 vorgesehen zum Abziehen von Verdichterausgangsluft stromabwärts von dem Verdichter-Diffusor 68 und "stromaufwärts" von den Brennern. Mit anderen Worten, Luft wird über die Öffnung 66 extrahiert, bevor die Verdichterausgangsströmung in ihrer Rückwärtsströmungsbahn (von rechts nach links, wie es gezeigt ist) das hintere Ende des Brenners 36 erreicht, wo sie in eine Vorwärtsrichtung innerhalb der Verbrennungsauskleidung umgelenkt wird (von links nach rechts, wie es gezeigt ist). Um angemessene Mengen an Kühlluft zuzuführen, können zwei oder mehr Abzugsöffnungen 66 in einer in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Relation um das Turbinenverbrennungsgehäuse 64 herum vorgesehen sein. Ein Verteilersystem, das schematisch bei 70 dargestellt ist, wird verwendet, um die abgezogene Luft einem Dampf/Luft-Wärmetauscher 72 zuzuführen. Die Verdichterausgangsluft, die den Verdichter- Diffusor 68 verlassen hat, ist auf einem Druckwert von etwa 2,40 · 10&sup6; Pa (348 psia) und kann auf einfache Weise aus dem Brennergehäuse 64 abgezogen werden. Dieser Druck ist etwa 0,152 · 10&sup6; Pa (22 psi) höher als der statische Ausgangsdruck des Verdichters von etwa 2,25 · 10&sup6; Pa (326 psia) hinter der letzten Stufe des Verdichterrotors am Innendurchmesser der Strömungsbahn. Diese Differenz von 0,152 · 10&sup6; Pa (22 psi) ist die Antriebskraft, durch die die CDP Luft aus dem Brennergehäuse 64 abgezogen, dem Wärmetauscher 72, wo die Luft gekühlt wird, zugeführt und dann zurück zum Verdichterrotor der Gasturbine geleitet wird. In der bevorzugten Anordnung wird zwischen 1,0 und 2,0% Wc (Wc ist als die gesamte Luftströmung des Verdichters definiert) aus dem Brennergehäuse 64 an der (den) Öffnung(en) 66 abgezogen.
Der Wärmetauscher 72 kühlt die Verdichterausgangsluft von dem Verdichterausgangswert von etwa 482ºC (900ºF) herunter auf etwa 316ºC (600ºF). Um die gewünschte Kühlung herbeizuführen, wird Dampf in den Wärmetauscher bei etwa 316ºC (600ºF) eingeführt. Der Dampf wird während des Wärmetausches auf etwa 427ºC (800ºF) erwärmt und dann zu seiner Quelle zurückgeleitet. In Anordnungen mit kombiniertem Zyklus, wo das Abgas der Gasturbine dazu verwendet wird, Dampf für eine Dampfturbine zu liefern, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Kühldampf zweckmäßiger Weise von dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator geliefert, und der erwärmte Dampf aus dem Wärmetauscher 72 wird zu dem bodenbildenden Zyklus der Dampfturbine zurückgeleitet, wo mehr Arbeit aus der neu erhitzten Dampfströmung entzogen wird.
Die nun gekühlte CDP Luft (bei etwa 316ºC (600ºF)) wird über eine Leitung 74 zu einem Strömungssteuerventil 76 geleitet, das die Menge an Kühlluft bestimmt, die zum Verdichter 12 zurückzuleiten ist.
Ein Verteilersystem außerhalb des Turbinengehäuses 64, das schematisch bei 78 dargestellt ist, liefert die gekühlte Luft zurück zum Verdichter 12 über viele (vorzugsweise 12) isolierte Rohre bzw. Leitungen, von denen eine bei 80 gezeigt ist. Diese Leitungen, die vorzugsweise einen Durchmesser von 38,1 bis 50,8 mm (1,5 bis 2 Zoll) haben, sind in radialen Streben (eine ist bei 82 gezeigt) angeordnet, die das Brennergehäuse 64 mit der inneren Halterungsstruktur der Turbinendüse verbinden, die allgemein bei 84 gezeigt ist. Die Isolation kann 60 mil toten Luftraum zwischen der Strebe und der Leitung aufweisen. Falls erforderlich, kann eine Strahlungsabschirmung (nicht gezeigt) hinzugefügt sein in dem Bestreben, die Wärmeaufnahme der Kühlluft in den Leitungen 80 weiter zu reduzieren.
Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, wonach die Kühlluft über die Leitungen 80 einer 360º Kammer 86 über und leicht vor einer CrMoV Verdichterausgangsdichtung (die CDP Dichtung) 88 zugeführt wird. Diese Dichtung ist eine ringförmige, stationäre Struktur, die sich zwischen einer Turbinengehäuse-Verbindungsfläche bei 90 in axialer Richtung nach vorne über einen relativ dünnen Steg 92 zu dem Hauptkörper 94 der Dichtung erstreckt, der radial benachbart zu Dichtungszähnen 96 von einer hinteren Kühlplatte 98 der Rotoreinrichtung erstreckt. Die CDP Dichtung 88 bildet, zum Teil, die ringförmige Kühlluftkammer 86 und richtet die Kühlluft zu einer hinteren Kammer (Rückammer) 100 des Verdichterrotors, wo die Kühlströmung in drei Teile geteilt wird, wie es nachfolgend näher beschrieben wird. Der Hauptkörper 94 der Dichtung 88 ist auch mit einem Hemmdichtungsabschnitt 102 versehen, der sich von dem Hauptkörper 94 weg in Richtung auf den Verdichter 16 erstreckt. Der Hemmdichtungsabschnitt 102 greift an einer ringförmigen horizontalen Kante 104 der hinteren Kühlplatte 98 an und teilt somit die hintere Kammer 100 in eine obere Kammer 100A und eine untere Kammer 100B.
Es wird verständlich sein, dass die gesamte Kühlströmung zum Verdichter von den Strömungserfordernissen für die CDP Dichtung 88 abhängen wird, da ein Teil der Strömung durch die CDP Dichtung austritt, wie es nachfolgend näher erläutert wird. Diese Strömung kann sich ändern, wenn der Dichtungsspalt gegenüber den Zähnen 96 sich verschlechtert. Somit muss das Gesamtsystem in der Lage sein, die maximale Strömung von 2% Wc bei dem 0,152 · 10&sup6; Pa (22 psi) ΔP handhaben zu können. Der Auslegungspunkt für die obere Grenze wird somit ein Kühlversorgungssystem, das die 2% Wc Kühlluft an den Verdichterrotor liefern muss, wenn das Ventil 76 bei einem ΔP von 0,152 10&sup6; Pa (22psi) weit geöffnet ist. Das Ventil 76 wird dann dazu verwendet, die Strömung auf eine Menge unter 2% Wc zu verkleinern, was von den Strömungserfordernissen der CDP Dichtung abhängt. Die Hauptaufgabe des Strömungssteuerventils 76 besteht dann darin, sicherzustellen, dass eine ausreichende Kühlluftversorgung in der hinteren Verdichterkammer 100 beibehalten wird, so dass keine heiße Luft der Verdichterströmungsbahn in die hintere Rotorkammer 100 des Verdichters eingesaugt wird, um die Kühlluft aufzuheißen, die dem Verdichterrotor zugeführt wird. Um dies zu verhindern, ist es wichtig, dass die Temperatur der oberen hinteren Rotorkammer des Verdichters durch ein Thermoelement überwacht wird. Die Temperaturabtaststelle des Thermoelementes ist in der oberen Kammer 100A angeordnet. Aus Sicherheitsgründen sollten zwei Thermoelemente in der Kammer installiert sein. Wenn die CDP Dichtung schlechter wird, steigt die Leckströmung von etwa 0,419% Wc auf etwa 1, 2% Wc an. Der effektive Dichtungsspalt wird sich von etwa 508 um (20 Mils) auf etwa 1905 um (75 Mils) geöffnet haben, was als eine verschlechterte Dichtung für eine Dichtung mit einem Durchmesser von 1,016 m (40 Zoll) betrachtet wird. Wenn sich der Dichtungsspalt verschlechtert, wird das Thermoelement der hinteren Rotorkammer des Verdichters einen Temperaturanstieg abtasten, weil eine kleine Menge von Verdichterausgangsluft in die hintere Kammer 100 eingesaugt wird. Wenn dieser Anstieg durch ein Triebwerks-Sicherheitsüberwachungssystem beobachtet wird, öffnet das Strömungssteuerventil und liefert mehr Kühlluft, bis die Anzeige des Thermoelements wieder auf etwa 354ºC (670ºF) abgesenkt ist.
Wie oben kurz beschrieben ist, wird die Kühlluft, die der hinteren Rotorkammer des Verdichters zugeführt wird, dann in drei diskrete Strömungskomponenten geteilt, die jeweils nachfolgend im einzelnen beschrieben werden.

Erste Kühlkomponente

Die erste Komponente der gesamten Kühlluft (z. B. etwa 1,225% Wc), die über Leitungen 80, die Kammer 86 und die hintere Rotorkammer 100 des Verdichters zurückgeleitet wird, wird in die Verdichterströmungsbahn hinter dem letzten Rotor abgegeben. Genauer gesagt, wird etwa 0,195% Wc von der oberen Kammer 100A in der nachfolgend beschriebenen Weise zur Verdichterströmungsbahn zurückgeleitet. Bezug nehmend auf Fig. 5, wird eine Strömungsbahn für diese erste Komponente durch radial versetzte Flächen 10&sup6; und 108 der Statorstruktur gebildet, die durch eine in radialer Richtung schräge Fläche 110 verbunden sind. Gleichzeitig ist die hintere Kühlplatte 98 mit einem schrägen Spitzenabschnitt 112 versehen, der mit einem Hemmdichtungszahn 114 versehen ist, der sich radial in Richtung auf eine Oberfläche 10&sup6; neben der abgeschrägten Fläche 110 erstreckt. Stromabwärts (in der Richtung der Kühlmittelströmung) der Hemmdichtung 114 weist das Profil des Spitzenabschnittes 112 eine axiale Fläche 116 mit verringertem Durchmesser und eine radial nach außen schräg verlaufende Fläche 118 auf, die unmittelbar hinter dem Rand der Fläche 10&sup6; endet. Diese Anordnung ruft eine ringförmige Pufferkammer 120 vor der Hemmdichtung 114 hervor.
Der Hemmdichtungszahn 114 der Pufferkammer 120 verringert die Möglichkeit, dass heiße Verdichterausgargsluft die Kühlluft des Verdichterscheibenrandes verunreinigt (nachfolgend erläutert). Die Pufferkammer 120 gestattet auch eine Umfangsströmung, die ihrerseits den Druckgradienten am Statorumfang hinter den Rotorschaufeln B der letzten Stufe verkleinert. Als eine Folge ist der Hemmdichtungszahn 114 effektiver. Mit nur einem kleinen Druckabfall, der durch die minimale Strömung von 0,195% Wc über dem Dichtungszahn 114 erzeugt wird, ist die Gefahr für das Ansaugen von Verdichterströmung (von links nach rechts in Fig. 5) in die Kühlluft des Rotorrandes (die zweite Kühlkomponente) in der oberen Kammer 100A stark verringert.

Zweite Kühlkomponente

Die zweite Komponente der Kühlluft dient dazu, die Verdichterscheibenränder der letzten fünf Stufen des Axialströmungsverdichters 16 (siehe Fig. 4) zu kühlen. Zweckmäßiger Weise sind die Scheiben selbst mit 124, 126, 128, 130 und 132 bezeichnet, und die radial äußeren Scheibenränder sind mit den gleichen Zahlen, aber mit dem Zusatz "A" bezeichnet. Verdichterschaufeln sind mit den gleichen Zahlen bezeichnet, aber mit dem Zusatz "B". Wie am besten in Fig. 5 zu sehen ist, wird Kühlluft von der oberen Kammer 100A bei etwa 364ºC (688ºF) an Bord des Verdichterrotors durch axiale Löcher (eines bei 134 gezeigt) in der hinteren Kühlplatte 98 des Verdichters gebracht. Etwa 0,35% Wc strömt durch die Löcher 134 und in eine ringförmige Scheibenschaftkammer 135, wo sie auf die Rückseite 136 des Steges 138 radial zwischen dem Rand 124A und der Scheibe 124 der letzten Stufe aufprallt. Dies unterstützt die Kühlung des Verdichterscheibensteges 138 und auch des Randes 124A. Wenn die Kühlluft über die Löcher oder Kanäle 134 sich an Bord des Verdichterrotors befindet, wo die relative Lufttemperatur etwa 399ºC (750ºF) beträgt, wirbelt sie um die Kammer 135 und kann dann axial in Richtung auf das vordere Ende des Verdichters durch axiale Nuten 140, 142 mit einer Höhe von 762-1016 um (30-40 Mil) strömen (siehe auch Fig. 6 und 7), die durch radiale Spalte zwischen den unteren Flächen der Schaufelschafte 144 und den Bodenflächen 146, 148 der Schwalbenschwanznuten (oder Fugen) der Scheibe gebildet sind, die die Schaufelschafte 144 und zugeordnete Schaufeln 144A in einer ansonsten üblichen Art und Weise aufnehmen. Radiale Positionierglieder 150 trennen die Kanäle 140, 142 (auch als Nutbodenspaltkanäle bezeichnet), die über die gesamte Länge der schwalbenschwanzförmigen Nuten (angeordnet 45º von der axialen Richtung, wie es aus Fig. 7 deutlich wird) in dem Randabschnitt 124A der Scheibe 124 verlaufen. Es wird deutlich, dass jeder der Scheibenränder 124A - 132A mit ähnlichen Kanälen für jede der Schaufeln in den entsprechenden Scheiben der letzten fünf Stufen des Verdichters versehen ist.
Die durch 140, 142 hindurchströmende Kühlluft strömt weiter durch ähnliche, axiale Kanäle in jedem der Scheibenränder 126A, 128A, 130A und 132A. Die Kanäle sind jedoch nicht axial fluchtend. Mit anderen Worten, der Kanal 140' ist in Umfangsrichtung um wenige Grad von dem Kanal 140 versetzt. Die Kühlluft strömt trotzdem um den Ringspalt zwischen den Rändern und in die axialen Kanäle des benachbarten Randes (bezeichnet mit 140' im Rand 126A). Nachdem die Randkühlluft durch die Nuten im Scheibenrand 132A hindurchgetreten ist, kehrt sie zur Verdichterströmung durch den radialen Spalt bei 154 (Fig. 4) zurück. Es gibt jedoch auch eine Vermischung der zweiten und dritten Komponenten der Kühlluft, wie es nachfolgend näher beschrieben wird. Ferner leckt ein gewisser Teil der Luft zwischen den Scheibenrändern 126A und 124A, zwischen 128A und 126A, zwischen 130A und 128A und auch zwischen 132A und 130A heraus.
Wenn eine Strömung von etwa 0,35% Wc in die Kammer 135 gegeben ist, treten etwa 0,016% Wc durch eine Drahtdichtung 152 an dem radial äußeren Rand der abgeschrägten Spitze 112 der Platte 98 hinter der letzten Verdichterscheibe 124 aus. Die Drahtdichtung 152 ist so ausgelegt, dass die Gefahr verringert wird, dass die Luft der Verdichterströmungsbahn die Kühlluft des Scheibenrandes in der Kammer 135 verunreinigt. Das System ist so ausgelegt, dass, wenn die Drahtdichtung 152 unbeabsichtigt weggelassen wird oder aus einem gewissen unbekannten Grund verstopft wird, die Leckströmung nur leicht ansteigen würde und die Strömung durch die Nutbodenkanäle 140, 142 der letzten Scheibe nur leicht nach unten gehen würde. Somit ist die Sicherheit des Systems nicht von dem Erfolg der Drahtdichtung I52 abhängig. Die Drahtdichtung ist einfach eingebaut, um die Kühlluftleckage in die Verdichterströmungsbahn zu verringern, was dann gestattet, dass die Gesamtströmung zum Rotor minimiert wird.

Dritte Kühlkomponente

Die dritte Komponente der Kühlluft bildet das CDP Leckage/ Rotortemperatur-Steuersystem. Diese dritte und letzte Komponente (etwa 0,685% Wc) strömt im Bypass um die Hemmdichtung 102 herum und strömt in die untere Kammer 100B. Somit gestattet die Hemmdichtung 102, dass die Strömung in der hinteren oberen Rotorkammer 100A des Verdichters von der Strömung in der unteren Kammer 100B abgesondert wird, die die Strömung zur CDP Dichtung 88 und zur Verdichterbohrung liefert. Die Hemmdichtung 102 verhindert auch jede Rezirkulationsströmung von der unteren Kammer 100B zurück in die obere Kammer 100A. Somit kann sich die Strömung in der unteren Kammer 100B um weitere 11-17ºC (20-30ºF) über die Strömung in der oberen Kammer 100A erwärmen, da die Kammerströmung reduziert ist und der Rotor- Strömungswiderstand/Wicklungstemperaturanstieg größer sein wird, bevor die Luft an Bord des Rotors gebracht und zur Rotorbohrung geschickt wird. Diese Lösung gestattet, dass die Verdichterscheiben auf die gewünschten 371ºC (700ºF) an der Bohrung und 427ºC (800ºF) an den Scheibenrändern gesteuert wird. Ohne dieses Merkmal würde die Verdichterscheibentemperatur 11 - 17ºC (20-30ºF) kälter sein, was es schwieriger machen würde, enge Schaufelspalte zu erhalten.
Es sei auch darauf hingewiesen, dass die CDP Dichtung 88 gestattet, dass sowohl die Rotor- als auch Statorkomponenten in der gleichen gekühlten Luft gebadet bzw. gespült werden. Somit ist das stationäre thermische Wachstum von sowohl den Rotor- als auch Statorkomponenten vergleichbar und kleiner im Wert im Vergleich zu einer Dichtung, durch die Verdichterausgangsluft (482ºC bzw. 900ºF) hindurchströmt. Die Masse der Rotor- und Statorkomponenten und auch die Wärmeübertragung können angepasst werden, um eine vergleichbare thermische Ansprechgeschwindigkeit zu erzielen. Dies hat eine Dichtung zur Folge, die für enge Spalte bei allen Betriebsbedingungen sorgt. Dies ist ein kritisches Merkmal, da der objektive Spalt für beispielsweise eine CDP Dichtung mit einem Durchmesser von 1,067 m (42 Zoll) an der Grenzfläche mit den Zähnen 96 etwa 533 um (21 Mils) beträgt.
Etwa 0,266% Wc strömt von der unteren Kammer 100B durch mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete, radial verlaufende Leitungen (eine ist bei 156 gezeigt) und in die Verdichterrotorbohrung 158. Der Rest von 0,419% Wc strömt im Bypass um den Hauptkörper 94 der Dichtung 88 herum, über die Dichtungszähne 96 und strömt zurück in Richtung auf die Turbine über die Kammer 160, wo er sich mit den Verbrennungsgasen aus dem Brenner mischt. Zusätzlich tritt ein Anteil von etwa 0,025% Wc aus der Rotorbohrung 158 aus zur Kammer 160 an der Grenzfläche der Turbine 98 und der Turbinenendplatte oder -kappe 162.
Die gesamte Bohrungsströmung wird in Strömungselemente geteilt (Prozent Wc, wie in Fig. 4 angegeben), die nach oben (d. h. radial nach außen) zwischen die letzten fünf Verdichterscheiben 124, 126, 128, 130 und 132 und auch zwischen die Scheibe 124 und die Platte 98 gerichtet werden. Die Strömung zwischen den Scheiben wird dann durch radiale Schlitze 164 zwischen den in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Bolzenlöchern 166 in den Trägheitsmoment-Ringabschnitten der Scheiben geleitet. Der Zweck der radialen Strömung der Rotorbohrung besteht darin, eine gut definierte Strömungs- und Wärmeübertragungsumgebung um die Verdichterscheiben herum hervorzurufen. Die Wärmeübertragung sollte hoch genug sein, um die thermische Ansprechgeschwindigkeit bis zu dem Punkt zu erhöhen, wo sie an die thermische Ansprechgeschwindigkeit der Statorstruktur angepasst ist. Wie früher bereits ausgeführt wurde, wird durch Anpassen der thermischen Ansprechgeschwindigkeit des Rotors an die Statorstruktur eine thermische Wachstumsumgebung ausgebildet, wo die thermischen Wachstumsraten während jedes transienten oder stationären Zustandes angepasst sind. Dies senkt dann die Gefahr für ein Schaufelspitzenreiben, während gestattet wird, dass das Triebwerk bei engeren Schaufelspitzenspalten betrieben wird. Engere Schaufelspitzenspalte erzeugen einen höheren Verdichter-Wirkungsgrad und auch eine bessere transiente Strömungsabrissgrenze.
Von den Schlitzen 164 strömt die Kühlluft radial nach außen in Kühlkammern I68, 170, 172, 174 und 176 über axiale Nuten 178 (drei sind in Fig. 5 gezeigt), wo sich die benachbarten Scheiben überlappen. Luft in den Kammern 168, 170, 172, 174 und 176 wird in die Strömungssteuernuten 140, 142 des Randes 124A (und entsprechende Nuten in ähnlichen Kanälen in den Scheibenrändern 124A, 128A, 130A und 132A) am Innendurchmesser der entsprechenden Scheibennuten eingeleitet. Die Kühlluft strömt immer zu einem gut definierten Senkendruck (der Verdichterströmungsdruck), der durch die Aerodynamik des Verdichters gesteuert wird. Dies gewährleistet, dass das Kühldesign des Verdichterrotors stetige Strömungsparameter während der detaillierten Betrirebsausführung bei Bedingungen sowohl am Arbeitspunkt als auch außerhalb des Arbeitspunktes hat.
Innerhalb der Kammern 168, 170, 172, 174 und 176 wirbelt die Bohrungskühlluft und mischt sich mit Randkühlluft aus den axialen Kanälen 140, 142. Diesbezüglich sind in einem Winkel von 45º angeordnete Flächen 180 auf den Vorderflächen der Scheibenränder 126A, 128A, 130A und 132A, am Eingang zu den Scheibennutböden, als ein Mittel eingefügt zum Ablenken der Strahlen, die aus benachbarten Scheibennutböden austreten. Der 45º Winkel lenkt die Strahlen radial nach innen in die Kammern 168, 170, 172 und 174 ab, ohne das Winkelmoment der Strömung zu stören. Dies erhöht den Verwirbelungsfaktor in den Kammern auf einen Wert, der signifikant höher als die Rotordrehzahl ist. Die Temperatursteuerluft der Scheibe, die in die gleichen Kammern über die Kanäle 178A eingeleitet wird, kann auch verwirbelt werden, indem die Messnuten am inneren Umfang der Scheibennut im Winkel angeordnet werden. Dies vergrößert weiter den Verwirbelungsfaktor in den Stegkammern. Der erhöhte Verwirbelungsfaktor vergrößert die Wärmeübertragung und senkt somit die Metalltemperatur am Rand.
In Fig. 5 sind die Ränder 124A und 126A so gezeigt, dass sie eine radial äußere Überlappung aufweisen. Genauer gesagt, die radial äußere, hintere Fläche des Randes 124A ist mit zwei versetzten Radialflächen 182 und 184 versehen, die durch eine axiale Fläche 186 verbunden sind. Die äußerste Kante des Randes 124A ist abgeschrägt, damit weniger heiße Luft der Verdichterbahn in die Rotorkammer 168 eingesaugt wird. Zur gleichen Zeit ist der radial äußere Rand 126A durch eine komplexe Konfiguration von Oberflächen definiert, die eine radiale Fläche 188 aufweisen, die von der Oberfläche 180 ausgeht. Die letztgenannte ist parallel zu und im wesentlichen benachbart zur Oberfläche 184. Eine weitere axiale Fläche 190 ist parallel zur Oberfläche 188. Diese zwei radialen Flächen 188 und 190 sind durch eine axiale Fläche 192 und eine gestufte Kante 194 verbunden, die eine ringförmige Pufferkammer 196 bildet. Es gibt einen radialen Spalt von 20-30 Mil zwischen den axialen Flächen 186 und 192 und einen axialen Spalt von 1270 um (50 Mil) zwischen den radialen Flächen 182 und 190. Die oben beschriebene Grenzflächenanordnung zwischen den letzten zwei Scheiben 124 und 126 wird an den Grenzflächen der übrigen Scheiben 128, 130 und 132 dupliziert, da sie ebenfalls gekühlt werden müssen, aber bis zu einem kleineren Grad. Dieses verringerte Kühlerfordernis wird dadurch hervorgerufen, dass die Verdichterlufttemperatur etwa 50º pro Stufe von rechts nach links in den Fig. 4 und 5 abfällt. Kleine Mengen an Kühlluft treten in die Verdichterströmungsbahn über die oben beschriebenen Überlappungen aus, z. B. etwa 0,22% Wc zwischen jedem benachbarten Scheibenpaar, mit einem ausreichenden Druckabfall, um zu verhindern, dass irgendwelches Gas angesaugt wird.
Der Druckabfall über den Nutboden-Spaltkanälen der Scheibe (d. h. Kanäle 140, 142 und ähnliche) wird durch die statischen Zwischenstufendrucke des Verdichters eingestellt. Beispielsweise beträgt am Rand 124A der letzten Verdichterstufe der statische Druck 326 psia, und der kühlende Versorgungsdruck, der den Bodenspaltkanälen der schwalbenschwanzförmigen Nut Luft zuführt, ist etwas höher bei 2,25 · 10&sup6; Pa (327 psia). Der Ausgangsdruck des Bodens der schwalbenschwanzförmigen Schaufelnut für die letzte Verdichterstufe beträgt 2,06 · 10&sup6; Pa (299 psia). Dieser Ausgangsdruck ist an dem Mittelpunkt durch die Statorschaufel 125 der zweiten bis letzten Stufe an der Strömungsbahnnabe angeordnet. Der Durckabfall von 2,24 · 10&sup6; Pa (325 psia) auf 2,06 10&sup6; Pa (299 psia) ist ausreichend, um eine genügend hohe Nutgeschwindigkeit zu erzeugen, um einen Wärmeübertragungs-Koeffizienten in dem Nutboden-Spaltkanal hervorzurufen, der mit den Werten der Verdichterströmungsbahn vergleichbar ist. Da es eine signifikante Größe an kühlender Wärmeübertragungs-Oberfläche gibt, ist es recht einfach, den Scheibenrand 124A der letzten Stufe auf 441ºC (825ºF) abzukühlen, wo das CrMoV Scheibenmaterial für mehr als die angestrebten 240.000 Stunden überleben kann.
Die spezifischen Drucke und Strömungen an den axialen Spalten von 1270 um (50 Mil) zwischen den Flächen 188 und 192 von benachbarten Scheibenrändern können in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen variieren. In dem gegebenen Beispiel kann die Kühlluft, die aus dem Spalt zwischen den Rändern 124 und 126 austritt, etwa 0,22% Wc betragen; und etwa 0,156% Wc zwischen den Rändern 126, 128. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Erfindung nicht auf irgendwelche spezifischen Temperatur/Druck/Strömungswerte an irgendwelchen gegebenen Punkten in den letzten fünf Verdichterstufen begrenzt ist. Diese Werte können mit speziellen Anwendungen, Bedingungen, usw. variieren. Die Parameter von besonderer Signifikanz sind hier die Rand- und Verdichterbohrungstemperaturen der letzten Stufe, die, gemäß dieser Erfindung, auf etwa 441ºC (825ºF) bzw. 371ºC (700ºF) abgekühlt werden.

Claims

1. Gasturbine (20) enthaltend einen Verdichter (12) mit einer Bohrung (158) und einem Rotor (14), der von vielen Stufen gebildet ist, die sich zwischen einer ersten Stufe an einem vorderen Ende des Verdichters und einer letzten Stufe (124) am hinteren Ende des Verdichters erstrecken, wobei jede Stufe eine Rotorscheibe mit einem Umfangsrand (A) und viele an dem Umfangsrand befestigte Schaufeln (B) aufweist, ein Verbrennungssystem mit mehreren Brennern (36), die Ausgangsluft aus dem Verdichter zur Verbrennung verwenden, und viele Turbinenstufen (34, 4042, 44), die durch Verbrennungsgase aus dem Verbrennungssystem angetrieben werden, wobei Kühlluft in eine ringförmige Verdichter-Rückkammer (100) eingeführt wird, die neben der letzten Stufe durch eine ringförmige Verdichterausgang-Druckdichtung (88) angeordnet ist zum Unterteilen von Kühlluft in diskrete Komponenten zum Kühlen des Umfangsrandes (124A) der letzten Stufe des Verdichters und zum Kühlen der Bohrung (158) und zum Verhindern, daß heisse Verdichterausgangsluft in die ringförmige Verdichter-Rückkammer eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft Verdichterausgangsluft (70) aufweist, die aus dem Verbrennungssystem stromabwärts von dem Verdichter und stromaufwärts von den mehreren Brennern abgezogen wird.

2. Gasturbine nach Anspruch 1 und einen Wärmetauscher (72) enthaltend, der zum Kühlen der Kühlluft nach dem Abzug aus dem Verbrennungssystem angeordnet ist.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei die ringförmige Verdichterausgang-Druckdichtung (88) die ringförmige Verdichter- Rückkammer (100) in eine obere Kammer (100A) und eine untere Kammer (100B) teilt und wobei die Kühlluft in die obere Kammer eingeführt wird.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, wobei die ringförmige Verdichterausgang-Druckdichtung einen Hemmdichtungsabschnitt(102) aufweist, der gestattet, daß eine vorbestimmte Menge an Kühlluft von der oberen Kammer (100A) zur unteren Kammer (100B) strömt.

5. Gasturbine nach Anspruch 4, wobei die ringförmige Verdichter-Rückkammer teilweise durch eine ringförmige Kühlplatte (98) gebildet ist und wobei die Kühlluft zum Kühlen des Umfangsrandes der letzten Stufe des Verdichters durch mehrere axiale Kanäle (134) in der ringförmigen Kühlplatte aus der oberen Kammer strömt.

6. Gasturbine nach Anspruch 5, wobei die Kühlplatte wenigstens einen radialen Kanal (156) aufweist, der sich zwischen der unteren Kammer (100B) und der Bohrung (158) erstreckt, und wobei die diskrete Komponente zum Kühlen der Bohrung durch den wenigstens einen radialen Kanal strömt.

7. Gasturbine nach Anspruch 5, wobei die Kühlplatte eine radial äussere Spitze (112) mit Mitteln aufweist, die eine Strömung von Kühlluft aus der oberen Kammer in die heisse Verdichterausgangsluft gestatten und dadurch verhindern, daß heisse Luft in die obere Kammer eintritt.

8. Gasturbine nach Anspruch 1 mit einem die Brenner umgebenden Gehäuse (64), ferner gekennzeichnet durch wenigstens eine Abzugsöffnung (66) in dem Gehäuse und zugeordnete Leitungen zum Zuführen von Verdichterausgangsluft als Kühlluft zu wenigstens einigen der Rotorscheiben und zugeordnete Ränder am hinteren Ende des Verdichters.

9. Gasturbine nach Anspruch 8, wobei die zugeordneten Leitungen mit Kanälen (80, 82, 86) in dem Verdichter in Verbindung stehen zum Zuführen der Kühlluft zum Verdichterrotor und zu wenigstens einigen der Rotorscheiben und zugeordneter Ränder.

10. Gasturbine nach Anspruch 8, wobei ein Wärmetauscher (72) in der Leitung zwischen der Abzugsöffnung und dem Verdichterrotor angeordnet ist zum Kühlen der Verdichterausgangsluft vor Erreichen des Rotors.

11. Gasturbine nach Anspruch 10, wobei ein Strömungssteuerventil (76) zwischen dem Wärmetauscher und dem Rotor vorgesehen ist.

12. Gasturbine nach Anspruch 4, wobei Temperaturanzeigemittel (T) zum Überwachen der Lufttemperatur in dem oberen Teil der Kammer vorgesehen sind.

13. Verfahren zum Halten wenigstens der letzten einer Anzahl von beschaufelten Scheiben und ihres zugeordneten Randes auf einer vorbetimmten Temperatur in einer Land-basierten Gasturbine (20), die einen Verdichter (12) mit einem Rotor (14) und mehreren beschaufelten Scheiben (124...132) und zugeordneten Rändern (A), die sich von einem vorderen Ende zu einem hinteren Ende von dem Verdichter erstrecken, eine Anzahl von Brennern (36), die von einem Gehäuse (64) umgeben ist, das zum Empfangen von Verbrennungsluft aus dem Verdichter angeordnet ist, und eine Turbine enthält, die viele Stufen (38, 40, 42, 44) aufweist, die durch Verbrennungsgase aus der Anzahl von Brennern angetrieben werden und wobei Kühlluft verwendet wird, um den Verdichterrotor zu kühlen, wobei das Verfahren die Schritte enthält: a) Abziehen von Kühlluft aus dem Gehäuse, b) Einführen der Kühlluft in den Verdichter in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Strömungsrichtung der Verbrennungsluft und c) Kühlen der letzten Scheibe und ihres zugeordneten Randes auf eine vorbestimmte Temperatur.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmte Temperatur etwa 441ºC (825ºF) beträgt.