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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine, in der Wärmespannung
verringert wird, indem ein Achsenabschnitt einer Rotorwelle zu einem Startzeitpunkt
erwärmt
wird.
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In
der JP-A-3-275946, die Gasturbinen betrifft, die Strömungskanäle für die Zufuhr/Wiedergewinnung
von Kühlmittel
zu/aus Bewegungsschaufeln aufweisen, die innerhalb von Scheiben
und Abstandselementen angeordnet sind, die einen Rotor bilden, ist
eine Gasturbine offenbart, die mit massiven Scheiben versehen ist,
die keine zentrale Öffnung
in ihrem Zentrum (einem Wellenzentrum) aufweisen.
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Die
JP-08 014064 betrifft eine Gasturbine und deren Turbinenstufeneinrichtung,
die zwei Scheiben aufweist, deren jeweilige Außenumfangsflächen mit
Bewegungsschaufeln besetzt sind, die in einer Vielzahl von Stufen
in einer axialen Richtung angeordnet sind. Eine Bewegungsschaufel
wird von innen durch ein Kühlmittel
gekühlt.
Wenn das Kühlmittel nach
dem Kühlen
wiedergewonnen wird, ist ein Abstandselement in Inneren und in den
beiden Seitenwandteilen, aus denen Kühlmittel-Strömungskanäle gebildet
sind, zwischen den Scheiben angeordnet. Das Kühlmittel wird an den beiden
Scheibenwandflächen
zugeführt
und wird so von dem Seitenwandteil-Kühlmittelströmungskanal abgeführt, dass
es in die gleiche Richtung wie eine radiale Richtung strömt. Nachdem
das Kühlmittel
die Bewegungsschaufeln gekühlt
hat, wird es durch den inneren Kühlmittelströmungskanal
des Abstandselements wiedergewonnen. Eine solche Anordnung ermöglicht die
Durchführung
einer ausreichenden Kühlung
einer Bewegungsschaufel ohne das Auftreten von Wärmeverformung an einer Scheibe,
sogar wenn die Temperatur des Arbeitsgases erhöht wird.
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Die
Metalltemperatur-Verteilung eines Rotors sowie Wärmespannung und Wärmeverformung, die
auf den Rotor aufgebracht werden, werden durch die Wärme von
und zu Räumen
innerhalb des Rotors und einer Umfangsfläche des Rotors usw. beeinflusst.
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Jedoch
werden in der JP-A-3-275946 keine konkreten Maßnahmen bezüglich der oben erwähnten Wärmebeeinflussung
ergriffen.
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Während eines
instabilen Betriebs zu einem Startzeitpunkt steigt die Temperatur
in dem Rotorumfangsabschnitt durch die Wärme, die von einem Arbeitsgas
der Gasturbine eingeführt
wird, stark an, während
der zentrale Abschnitt des Rotors nicht leicht erwärmt wird.
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In
dem Fall, wenn ein Zufuhrpfad und ein Wiedergewinnungspfad für ein die
Schaufeln kühlendes
Kühlmittel
vorgesehen sind, erhöht
sich außerdem
die Wärmespannung
in dem Rotor einer Gasturbine vom Typ mit geschlossenem Kühlkreislauf,
weil ein Temperaturunterschied, der einem Temperaturanstieg aufgrund
der Kühlung
der Bewegungsschaufeln zwischen dem Zufuhrpfad und dem Wiedergewinnungspfad
entspricht, auftritt, so dass die Gefahr besteht, dass eine große Spannung
auf den zentralen Rotorabschnitt aufgebracht wird, indem die Wärmespannung,
die auf die Rotorscheiben usw. aufgebracht wird, und eine durch
Rotation verursachte Zentrifugalkraft sich überlappen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Gasturbine mit erhöhter Zuverlässigkeit zur Verfügung zu
stellen, indem Wärmespannung,
die auf einen zentralen Rotorabschnitt aufgebracht wird, unterdrückt wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Gasturbine gelöst, die die Merkmale von Patentanspruch
1 aufweist. Bevorzugte Ausführungsformen
der Gasturbine sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 beansprucht.
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Der
Aufbau der erfindungsgemäßen Gasturbine
ermöglicht
eine Steuerung der Wärmeströmung von
und zu den Rotorelementen, um Wärmespannung,
die auf die Rotorelemente aufgebracht wird, zu reduzieren und die
Zuverlässigkeit
der Rotorelemente zum Startzeitpunkt zu erhöhen. Da Fluid von dem Kompressor
in den dritten Strömungspfad
eingeführt wird
und nicht das Kühlmittel,
das dem ersten Strömungspfad
zugeführt
wurde, ist es außerdem
möglich,
die Fluidströmung
durch den dritten Strömungspfad
nur zum Startzeitpunkt zuzuführen,
an dem die Wärmespannung groß ist. Während eines
stabilen Betriebs kann an der Menge der Fluidströmung gespart werden, so dass
die Effizienz verbessert wird.
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Schnittansicht eines Rotors einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine Schnittansicht eines Rotors einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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4 ist
eine Schnittansicht eines Rotors einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Bei
einer Gasturbine gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
kann eine Gasturbine mit Wiedergewinnungs-Kühlmittel verwendet werden.
Z. B. können
komprimierte Luft und komprimierter Stickstoff als Kühlmittel
verwendet werden. Eine im Folgenden beschriebene Ausführungsform,
die einen Fall einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung darstellt,
wird erläutert,
wobei Dampf als Beispiel für ein
Wiedergewinnungs-Kühlmittel
verwendet wird.
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Zunächst wird
dies unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Der
allgemeine Aufbau der Ausführungsform
ist wie folgt:
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Ein
Kompressorrotor 3a eines Kompressors 1 und ein
Turbinenrotor 1a einer Turbine 120 sind durch
ein Abstandsstück 2a verbunden.
Der Druck von Luft 14a unter atmosphärischen Bedingungen wird durch
Bewegungsschaufeln und stehende Schaufeln in einem Kompressorluft-Strömungspfad 5a des
Umfangsabschnitts des Kompressorrotors 3a erhöht. Er weist
eine Brennkammer 4a auf, der die Luft zugeführt wird,
deren Druck erhöht
wurde und die aus dem Kompressor 1 abgeführt wurde.
In der Brennkammer 4a reagieren Kraftstoff 13a und
komprimierte Luft, so dass sie Verbrennungsgas 15a mit hoher
Temperatur und hohem Druck erzeugen. Das Verbrennungsgas 15a geht
durch Bewegungsschaufeln 7a und eine Düse 17a in einem Außenumfangs-Gasströmungspfad 6a des
Turbinenrotors 1a hindurch, um Energie zu erzeugen. Der
Turbinenrotor 1a weist eine Vielzahl von Scheiben 12a auf,
von denen jede Bewegungsschaufeln 7a an dem Umfangsabschnitt
aufweist und durch Abstandselemente 11a in axialer Richtung
angeordnet ist. In 1 ist ein Paar von ihnen als
repräsentatives
Beispiel offenbart. Der Turbinenrotor 1a und ein Abstandselement 11a an
einer Seite einer Scheibe berühren
einander an einer Umfangsseite, und ein Spaltabschnitt ist zwischen
der Scheibe und einem daran angrenzenden Abstandselement in einem
Bereich ausgebildet, der einen zentralen Abschnitt an einer Zentralseite
weiter innen als die Kontaktfläche
umfasst.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
ist die oben genannte Scheibe massiv hergestellt, der Spaltabschnitt
ist zwischen einem Rotorachsen-Seitenbereich der oben genannten
Scheibe und dem an die Scheibe angrenzenden Abstandselement ausgebildet,
ein Rotorumfangs-Seitenbereich der oben genannten Scheibe und das
daran angrenzende Abstandselement weisen jeweils Kontaktflächen auf, die
mit ihnen in Kontakt stehen, und die oben genannte Scheibe hat einen
Zentralseiten-Verbindungs-Strömungspfad,
der ein Fluid zu dem oben genannten Spaltabschnitt führt.
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Konkret
hat – zusätzlich zu
dem oben genannten Grundaufbau – ein
zentraler Abschnitt der oben genannten Scheibe 12a, der
die Achse (oder das Wellenzentrum) aufweist, einen massiven Aufbau,
und der Zentralseiten-Verbindungs-Strömungspfad 10a, der
einen dritten Strömungspfad
darstellt, ist innerhalb des Turbinenrotors 1a vorgesehen,
so dass er mit dem Spaltabschnitt kommuniziert, zusätzlich zu
einem Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a und
einem Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a.
Beispielsweise ist der Zentralseiten-Verbindungs-Strömungspfad 10a dafür vorgesehen,
durch die Scheibe 12a und das Abstandselement 11a hindurchzugehen.
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Beispielsweise
wird von einem Teil komprimierter Luft des Kompressors 1 ein
Fluid dem Zentralseiten-Verbindungs-Strömungspfad 10a zugeführt, das
Fluid, das in jeden Spalt zugeführt
wird, der zwischen der Scheibe 12a und dem Abstandselement 11a ausgebildet
ist, und Elemente innerhalb des Turbinenrotors 1a erfahren
einen Wärmeaustausch.
Das Fluid wird nach dem Wärmeaustausch
z. B. in einen Umfangsseiten-Gasströmungspfad 6a der Gasturbine 120 abgeführt. Es
ist jedoch möglich,
es in andere Elemente der Vorrichtung abzuführen.
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Da
es möglich
ist, Wärmemengen
zu steuern, die von/zu den Elementen des Turbinenrotors 1a zu/von
dem Zentralseiten-Verbindungs-Strömungspfad 10a übertragen werden,
ist es möglich,
die Wärmespannung
zu reduzieren. Selbst wenn unter der Bedingung, dass die Beeinflussung
der Wärmespannung
hoch ist, Zentrifugalkraft zugefügt
wird, kann daher die für
den Turbinenrotor 1a erforderliche Festigkeit gesichert
werden.
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Insbesondere
in dem Fall, wenn ein Zufuhrströmungspfad
und ein Wiedergewinnungs-Strömungspfad
vorgesehen sind, ist es möglich,
Wärmespannung
stärker
zu reduzieren als in einem Fall, wenn die Strömungspfade innerhalb des Rotors
nur der Dampfzufuhrströmungspfad 8a und
der Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a sind.
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Da
ein Temperaturunterschied zwischen dem Zufuhrströmungspfad und dem Wiedergewinnungs-Strömungspfad
mit einem Wert auftritt, der der Temperaturerhöhung aufgrund der Kühlung der
Bewegungsschaufeln entspricht, neigt der Rotor mit geschlossenem
Kühlkreislauf
dazu, dass die Wärmespannung
hoch wird und dass zu einem Startzeitpunkt im Betrieb ein hoher
Temperaturunterschied zwischen der Umfangsseite des Rotors und dessen zentralem
Abschnitt auftritt. Der Umfangsabschnitt des Rotors hat eine höhere Temperatur
als der zentrale Abschnitt des Rotors, der Umfangsabschnitt des Rotors
erfährt
eine Ausdehnungsverschiebung bezüglich
des zentralen Abschnitts des Rotors, und der zentrale Abschnitt
des Rotors erfährt
eine Schrumpfungsverschiebung bezüglich des Umfangsabschnitt des
Rotors, wodurch radiale Zugwärmespannung
auf den zentralen Abschnitt des Rotors einwirkt.
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Die
oben genannte erste Ausführungsform kann
die exzessive Kraft unterdrücken,
die auf den zentralen Abschnitt des Rotors aufgebracht wird, indem
sich die radiale Zugwärmespannung
und die rotationsbedingte zentrifugale Zugspannung überlappen,
wodurch die Festigkeit für
den Turbinenrotor 1a gesichert werden kann.
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Ein
weiteres Merkmal besteht darin, dass Kontaktflächen, die zwischen einem Rotorumfangsbereich
der Scheibe und dem daran angrenzenden Abstandselement, die miteinander
in Kontakt stehen, ausgebildet sind, ein Zufuhrströmungspfad,
der durch die oben genannte Scheibe und das oben genannte Abstandselement
in dem oben genannten Bereich, der die Kontaktflächen in einer axialen Richtung
des Rotors bildet, hindurchgeht und das oben genannte Kühlmittel
zur Kühlung
der Bewegungs schaufeln zuführt,
sowie ein Wiedergewinnungs-Strömungspfad
für das
durch die Bewegungsschaufeln erwärmte
Kühlmittel
vorgesehen sind.
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Konkret
ist zusätzlich
zu dem oben beschriebenen allgemeinen Aufbau die Bewegungsschaufel 7a eine
dampfgekühlte
Schaufel und eine Schaufel mit geschlossenem Kühlkreislauf, bei der Dampf nach
der Kühlung
wiedergewonnen wird, ohne in den Gasströmungspfad 6a abgeführt zu werden.
Es ist möglich,
einen Zufuhrdurchlass und einen Wiedergewinnungsdurchlass für das Kühlmittel
an der Kontaktfläche
mit der Scheibe vorzusehen. Der Turbinenrotor 1a ist sowohl
mit dem Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a für die Zufuhr
von Dampf zu den Bewegungsschaufeln 7a als auch mit dem
Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a zum
Wiedergewinnen des Dampfs versehen. Sowohl der Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a als
auch der Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a sind
so ausgebildet, dass sie durch die oben genannte Kontaktfläche 16a in
der Richtung der Rotorachse hindurchgehen und durch die oben genannte
Scheibe 12a und das Abstandselement 11a hindurchgehen.
Für den
Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a und
den Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a sind
innere Umfangsflächen
(Innenwandflächen)
von durchgehenden Öffnungen
der Scheibe 12a und des Abstandselements 11a und
der Kontaktfläche 16a konstituierende
Elemente. Die beiden Strömungspfade
sind durch die Kontaktflächen 16a voneinander
getrennt. Das Kühlmittel
strömt,
während
es mit den Innenwandflächen in
Kontakt steht.
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Dampf,
der von einer vorgegebenen Dampferzeugungsquelle wie einem Boiler
zugeführt
wird, wird durch den Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a in die
Bewegungsschaufeln 7a zugeführt. Nachdem der Dampf innerhalb
der Bewegungsschaufeln einen Wärmeaustausch
bewirkt hat, wird er durch den Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a wiedergewonnen.
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Daher
ist es nicht notwendig, Zusatzeinrichtungen wie Trennrohre oder
Verbindungsrohre vorzusehen, um den Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a und den
Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a voneinander
zu trennen.
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Als
Zufuhrströmungspfad
und Wiedergewinnungs-Strömungspfad
zum Transport von Kühlmittel in
axialer Richtung müssen
keine Zusatzeinrichtungen wie Einsatzrohre zum Einsatz in Öffnungen
und Verbindungsrohre für
Verbindungen zwischen den Scheiben verwendet werden, so dass es
möglich
ist, die Gefahr von Abfallen oder Bruch der Zusatzeinrichtungen
aufgrund einer langen Verwendung in dem Rotor, auf den eine große Zentrifugalkraft
aufgrund der Rotation und Wärmespannung
aufgrund von Temperaturunterschieden des Metalls aufgebracht werden,
zu bannen. Außerdem
ist es möglich, ein
Ungleichgewicht der Rotationswelle zu verhindern, die durch das
Abfallen und den Bruch der Zusatzeinrichtungen verursacht werden,
wodurch keine Störungsquelle
entsteht.
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2 zeigt
eine Schnittansicht (eine Schnittansicht der Turbinenseite) eines
Rotors einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung
gemäß einer Ausführungsform,
wobei eine 4-Stufen-Turbine als Beispiel verwendet wird. Gezeigt
ist ein Fall einer Gasturbine mit geschlossenem Dampfkühlungskreislauf.
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Grundsätzlich wird
der allgemeine Aufbau der oben genannten, in 1 gezeigten
Ausführungsform
angewandt. Als weiterer allgemeiner Aufbau ist der folgende Aufbau
vorgesehen.
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Ein
Gasturbinenrotor ist mit einem Kompressorrotor 3a eines
Kompressors 1 und einem Turbinenrotor 1a einer
damit verbundenen Turbine 120 versehen.
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Der
Kompressorrotor 3a ist mit Kompressorscheiben 2 versehen,
die mit Kompressor-Bewegungsschaufeln 3 an einem Umfangsabschnitt
versehen sind. Der Turbinenrotor 1a weist einen Turbinenabschnitt 100 und
eine damit verbundene Flanschwelle 17 auf.
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Der
Turbinenabschnitt 100 umfasst eine massive Scheibe 8 der
ersten Stufe, eine massive Scheibe 9 der zweiten Stufe,
eine massive Scheibe 10 der dritten Stufe und eine massive
Scheibe 11 der vierten Stufe sowie Bewegungsschaufeln 4 der
ersten Stufe, Bewegungsschaufeln 5 der zweiten Stufe, Bewegungsschaufeln 6 der
dritten Stufe und Bewegungsschaufeln 7 der vierten Stufe,
wobei jede Schaufel an dem Umfangsabschnitt jeder Scheibe angeordnet
ist, und weist ein hohles Abstandselement 12 an der dem
Kompressor 1 am nächsten
gelegenen Seite und massive Abstandselemente 13, 14, 15 an
Seitenflächen
der oben genannten Scheiben auf. Die Flanschwelle 17 ist
an der Seite der massiven Scheibe 11 der vierten Stufe
angeordnet. Das Abstandsstück 16,
der Turbinenabschnitt 100 und die Flanschwelle 17 sind
durch Stapelbolzen 18 fest verbunden, die dafür vorgesehen
sind, dass sie durch die Kontaktflächen der Scheiben und Abstandselemente
hindurchgehen.
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Eine
zweite Ausführungsform
wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 erläutert.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
haben die oben genannten Scheiben in einem Bereich, der einen Achsenabschnitt
(Wellenzentrumsabschnitt) umfasst, jeweils einen massiven Aufbau,
Spaltabschnitte sind zwischen den Scheiben 8, 9, 10 und 11 sowie den
Abstandselementen 13, 14 und 15, die
an der Rotorachsenseite daran angrenzen, ausgebildet, die Scheiben 8 bis 11 und
die Abstandselemente 13, 14 und 15 stehen
an der Rotorumfangsseite in Kontakt miteinander, so dass sie Kontaktflächen 31 bis 36 bilden,
die miteinander in Kontakt stehen, und eine Vielzahl von Zentralseiten-Verbindungspfaden
(10a) 77, 81, 85 zum Einführen von
Fluid in die Spaltabschnitte sind in den Scheiben 8 bis 11 ausgebildet.
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Vorgegebene
durchgehende Öffnungen
sind vorgesehen, um zu einem Startzeitpunkt der Turbine ein Wärmemittel
(Fluid) in einen Hohlraumabschnitt zwischen jeder Scheibe 8 bis 11 und
dem Abstandselement 13, 14, 15 zuzuführen.
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Im
Einzelnen ist bei dieser Ausführungsform, wie
in 1 und 2 dargestellt, der folgende
Aufbau zusätzlich
zu dem oben genannten allgemeinen Aufbau vorgesehen.
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Ein
Hohlraum ist zwischen jeder massiven Scheibe und dem Abstandselement
an der Zentralseite, die den zentralen Abschnitt der Kontaktfläche der
massiven Scheibe und des massiven Abstandselements umfasst, ausgebildet.
Der Hohlraum 78 ist in dem zentralen Abschnitt der ersten
massiven Scheibe 8 und des massiven Abstandselements 13 ausgebildet.
Auf die gleiche Art sind Hohlräume,
die zwischen entsprechenden Scheiben und Abstandselementen ausgebildet
sind, mit 80, 82, 84, 86 und 88 bezeichnet.
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Für die Zentralseiten
sind die Verbindungs-Öffnung 10a,
die die oben genannten Hohlräume
verbindet, die Öffnungen 77, 79, 81, 83, 85 und 87,
die jeweils durch die Scheiben 8, 9, 10 und 11 sowie
die Abstandselemente 13, 14 und 15 hindurchgehen,
vorgesehen. Die Öffnungen
sind in einem Bereich vorgesehen, der die oben genannten Kontaktflächen jeder
Scheibe usw. umfasst, und so, dass sie in axialer Richtung durch
eine zentralere Seite hindurchgehen als der Zufuhrströmungspfad
oder der Wiedergewinnungsströmungspfad.
Der genaue Aufbau ist im Folgenden erläutert.
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Die Öffnung 77,
die durch die massive Scheibe 8 der ersten Stufe in axialer
Richtung hindurchgeht, ist dafür
vorgesehen, einen Innenraum 62 und den Hohlraum 78 zu
verbinden. Die Öffnung 79,
die durch das massive Abstandselement 13 in axialer Richtung
hindurchgeht, ist dafür
vorgesehen, den Hohlraum 78 und den Hohlraum 80 zu
verbinden. Darunter sind, auf die gleiche Art wie oben, die Öffnung 81,
die durch die massive Scheibe 9 der zweiten Stufe in axialer
Richtung hindurchgeht, die Öffnung 83,
die durch das massive Abstandselement 14 in axialer Richtung
hindurchgeht, die Öffnung 85,
die durch die massive Scheibe 10 der dritten Stufe in axialer
Richtung hindurchgeht, und die Öffnung 87,
die durch das massive Abstandselement 15 in axialer Richtung
hindurchgeht, vorgesehen, um eine Verbindung zwischen den Hohlräumen in
dem zentralen Abschnitt zu schaffen. Weiterhin sind ein Schlitz 89, der
radial in der Kontaktfläche 31 des
massiven Abstandselements 15 und der massiven Scheibe 11 der vierten
Stufe ausgebildet ist, ein ringförmiger
Hohlraum 90, der von dem massiven Abstandselement 15 und
der massiven Scheibe 11 der vierten Stufe gebildet wird,
und eine Öffnung 91,
die von dem Hohlraum 90 zu einem Gasströmungspfad der Gasturbine führt, vorgesehen.
Hier ist der Schlitz 89 an einer Position vorgesehen, wo
er nicht die Zufuhröffnungen 52, 53 und
die Wiedergewinnungsöffnungen 24, 25 an
der Fläche 31 kreuzt.
Bei dieser Ausführungsform
ist der Fall gezeigt, bei dem Strömungspfade von dem Hohlraum 62 zu
dem Hohlraum 90 in Reihe angeordnet sind und alle Luftmengen,
die in den Hohlraum 90 strömen, durch die Hohlräume 78, 80, 82, 84, 86 und 88 hindurchgehen;
wenn jedoch ein Druckverlust aufgrund des Einströmens aus den Hohlräumen 78, 80, 82, 84, 86 und 88 zu
einem Problem wird, ist es möglich,
eine Vielzahl von Strömungspfaden
parallel zueinander vorzusehen, von denen jeder von dem Hohlraum 62 zu
dem Hohlraum 90 führt,
und die Hohlräume 78, 80, 82, 84, 86 und 88 jeweils
auf die parallel vorgesehenen Strömungspfade zu verteilen.
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Wie
zu einem Startzeitpunkt der Gasturbine wird ein Teil der komprimierten
Luft des Kompressors 1 den Hohlräumen 78, 80, 82, 84, 86 und 88 zugeführt, z.
B. in einem Fall, wenn das Innere des Turbinenrotors 1a annähernd so
kalt wie die Normaltemperatur ist.
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Ein
Teil der Luft in dem Kompressor-Luftströmungspfad 5a strömt durch
die Spalte zwischen den Kompressorscheiben 2 in den Innenraum 62.
Die Luft, die in den Innenraum 62 strömt, geht durch den Schlitz
hindurch, der sich radial nach außen erstreckt, strömt in die Öffnung 77 und
wird in den Hohlraum 78 zugeführt. Wenn die in den Hohlraum 78 zugeführte Luft
durch die zentralen Abschnitte der massiven Scheibe 8 der
ersten Stufe und des massiven Abstandselements 13 der ersten
Stufe strömt,
erwärmt
die Luft die zentralen Abschnitte (Achsenabschnitte) der Scheibe 8 und
des Abstandselements 13 zum Startzeitpunkt. Die zugeführte komprimierte Luft
bewirkt einen Wärmeaustausch
in den zentralen Abschnitten derselben Scheibe 8 und desselben
Abstandselements 13. Nachdem die komprimierte Luft durch
die zentralen Abschnitte hindurchgegangen ist, gelangt sie durch
die Öffnung 79 in
den Hohlraum 80. Hier erwärmt sie die zentralen Abschnitte
des Abstandselements 13 der ersten Stufe und der massiven
Scheibe 9 der zweiten Stufe zum Startzeitpunkt. Auf dieselbe
Art tritt die komprimierte Luft durch die Öffnung 81 in den Hohlraum 82 ein,
tritt durch die Öffnung 83 in
den Hohlraum 84 ein, tritt durch die Öffnung 85 in den Hohlraum 86 ein
und tritt durch die Öffnung 87 in
den Hohlraum 88 ein, um einen Wärmeaustausch zu bewirken. Anschließend geht
die komprimierte Luft durch den Schlitz 89 hindurch und wird
durch den Hohlraum 90 in den Gasströmungspfad 6a abgeführt.
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Die
Rotorumfangsabschnitte der massiven Scheiben 8, 9, 10, 11 und
der massiven Abstandselemente 13, 14, 15 haben
eine hohe Temperatur durch die Wärme,
die von dem Arbeitsgas der Gasturbine zugeführt wird, während die zentralen Rotorabschnitte
zum Startzeitpunkt nicht leicht erwärmt werden, so dass ein großer Temperaturunterschied zwischen
der Rotorumfangsseite und den zentralen Rotorabschnitten auftritt.
D. h. die Rotorumfangsabschnitte haben eine höhere Temperatur als die zentralen
Rotorabschnitte, wobei die Rotorumfangsabschnitte eine Ausdehnungsverschiebung
bezüglich der
zentralen Rotorabschnitte erfahren und die zentralen Rotorabschnitte
eine Schrumpfungsverschiebung bezüglich der Rotorumfangsabschnitte erfahren,
wodurch eine radiale Zugwärmespannung
auf die zentralen Rotorabschnitte aufgebracht wird. Es besteht die
Gefahr, dass die radiale Zugwärmespannung
mit der zentrifugalen Zugspannung aufgrund der Rotation überlappt
und eine große
Spannung auf die zentralen Rotorabschnitte aufgebracht wird. Durch
die Anwendung der vorliegenden Ausführungsform dienen die Hohlräume 78, 80, 82, 84, 86 und 88 in
den zentralen Rotorabschnitten, die von den massiven Scheiben und
den massiven Abstandselementen gebildet werden, als konstituierende
Elemente des dritten Strömungspfads,
und die Temperatur der zentralen Rotorabschnitte kann erhöht werden,
indem die Luft dorthin geströmt
wird, die von dem Hochtemperatur-Kompressor
abgezogen wurde. D. h. der Temperaturunterschied zwischen den Rotorumfangsabschnitten
und den zentralen Rotorabschnitten wird gering, und die radiale
Zugwärmespannung
in den zentralen Rotorabschnitten wird unterdrückt. Weiterhin erreichen beide
Seitenflächen der
Hohlräume
in den zentralen Abschnitten der ersten, zweiten und dritten massiven
Scheibe und der massiven Abstandselemente 13, 14, 15 die
gleiche Lufttemperaturatmosphäre,
so dass es möglich
ist, ein Auftreten von Wärmeverformung
und Wärmespannung,
die bezüglich
der rechten und linken Seite asymmetrisch sind, in den zentralen
Abschnitten der Scheiben zu verhindern.
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Weiterhin
sind die Öffnungen,
die in den oben genannten Scheiben 8, 9, 10 für eine Verbindung
zwischen den Hohlräumen
vorgesehen sind, in den Kontaktbereichen 31 bis 37 vorgesehen,
wodurch eine Beeinflussung der Zentrifugalkraft reduziert werden
kann.
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Weiterhin
sind die Zentralseiten-Kühlungsströmungspfade 10a unabhängig von
den Zufuhrströmungspfaden
und den Wiedergewinnungs-Strömungspfaden,
und es ist möglich,
Wärmemengen
zu steuern, die in die Rotorelemente und aus den Rotorelementen
strömen,
indem Luft mit geeigneter Temperatur und geeignetem Druck in die
Strömungspfade 10a eingeleitet
wird.
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Da
die Zentralseiten-Kühlungsströmungspfade 10a unabhängig von
dem Zufuhrströmungspfad
und dem Wiedergewinnungs-Strömungspfad sind,
ist es außerdem
möglich,
dass ein Strömungseinstellungsmechanismus
an den Zentralseiten-Kühlungsströmungspfaden 10a vorgesehen
ist und Luft mit geeigneter Temperatur und geeignetem Druck nur
zu einem Startzeitpunkt strömt,
wenn die Wärmespannung
groß ist.
Dadurch kann eine Menge an Luft, die in dem Zentralseiten-Kühlungsströmungspfad 10a strömt, während eines
stabilen Betriebs gespart werden, so dass die Effizienz erhöht wird.
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Weiterhin
steht der Zentralseiten-Verbindungsströmungspfad 10a mit
dem Gasströmungspfad
der Gasturbine durch die Seiten der massiven Scheibe 11 der
vierten Stufe in Verbindung, und durch die Luft, die durch den Strömungspfad
geströmt
ist, ist es möglich,
zu verhindern, dass Gas in die Seite der Scheiben einströmt, so dass
ein Teil der Abdichtungsluft zum Abhalten von Gas von der Scheibenseitenfläche mit
der Luft kompensiert werden kann, die durch den Zentralseiten-Verbindungsströmungspfad 10a geströmt ist,
und eine Menge an Luft zum Abdichten kann eingespart werden.
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Um
die Wirkung der Erwärmung
der zentralen Abschnitte der Scheiben usw. stärker zu nutzen, sind außerdem die
in den Scheiben 8, 9, 10 vorgesehenen Öffnungen
an den Positionen vorgesehen, wo die in den Scheiben 8, 9, 10 ausgebildeten Öffnungen
eine direkte Verbindung zwischen den oben genannten angrenzenden
Hohlräumen
herstellen. Z. B. liegen konkret die Positionen an der Umfangsseite weiter
außerhalb
als das Wellenzentrum der Scheiben in dem Bereich, der die Spalte 78, 80, 82, 84, 86 und 88 zwischen
den Scheiben bildet, und die angrenzenden Abstandselemente an der
Zentralseite liegen weiter innen als die oben genannten Kontaktflächen 31 bis 37.
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Die
vorliegende Ausführungsform
kann für eine
Gasturbine angewandt werden, die mit einem Zufuhrströmungspfad
und einem Wiedergewinnungs-Strömungspfad
des Dampfs zum Kühlen
der Bewegungsschaufeln versehen ist.
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Ein
weiteres Merkmal besteht darin, dass die Spaltabschnitte 78 bis 88 zwischen
den Scheiben 8 bis 11 und den daran angrenzenden
Abstandselementen an der Rotorachsenseite ausgebildet sind, die
Kontaktflächen 31 bis 37,
durch die die Scheiben und die Abstandselemente in Kontakt stehen,
an der Rotorumfangsseite ausgebildet sind und Zufuhrströmungspfade 24 bis 30 für die Zufuhr
des oben genannten Kühlmittels
sowie Wiedergewinnungs-Strömungspfade 48 bis 53 für die Wiedergewin nung
des erwärmten
Kühlmittels
so ausgebildet sind, dass sie axial durch die Scheiben 8 bis 11 und
die Abstandselemente 13, 14 und 15 hindurchgehen.
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Es
folgt eine detaillierte Erläuterung
unter Bezugnahme auf 1 und 2. Der folgende
Aufbau ist zusätzlich
zu dem oben genannten allgemeinen Aufbau vorgesehen.
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Dampf
wird von einem inneren Strömungspfad 20 in
einem Trennrohr 19, das in einer zentralen Öffnung der
Flanschwelle 17 vorgesehen ist, zugeführt, und ein Wiedergewinnungs-Strömungspfad 59 zum
Wiedergewinnen des zugeführten
Dampfs ist an einer Umfangsseite des inneren Strömungspfads 20 vorgesehen.
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Die
massive Scheibe 11 der vierten Stufe und die Flanschwelle 17 stehen
miteinander an der Umfangsseite in Kontakt, und in dem Bereich einer Zentralseite,
der das Zentrum umfasst, ist ein Hohlraum 21 eines Luftspalts,
der von der Scheibe 11 und der Flanschwelle 17 gebildet
wird, vorgesehen.
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Der
Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a (erster Strömungspfad)
und der Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a (zweiter
Strömungspfad) sind
so ausgebildet, dass sie an jeder Kontaktfläche axial durch jede Scheibe
und jedes Abstandselement hindurchgehen.
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Für jeden
der oben genannten Strömungspfade
sind eine innere Umfangsfläche
(Innenwand) der durchgehenden Öffnung
und deren Kontaktfläche
konstituierende Elemente. Z. B. sind die Zufuhröffnungen 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30,
die die oben genannten durchgehenden Öffnungen jeder Scheibe und
jedes Abstandselements sind, konstituierende Elemente des Dampfzufuhrströmungspfads 8a.
Konstituierende Elemente des Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfads 9a sind
die Wiedergewinnungsöffnungen 48, 49, 50, 51, 52, 53,
die die oben genannten durchgehenden Öffnungen jeder Scheibe und
jedes Abstandselements sind.
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Die
oben genannten Zufuhröffnungen
und Wiedergewinnungsöffnungen
der konstituierenden Elemente sind durch die massive Scheibe 11 der vierten
Stufe und die Kontaktfläche 31 des
massiven Abstandselements 15, die massive Scheibe 10 der dritten
Stufe und die Kontaktfläche 32 des
massiven Abstandselements 15, die massive Scheibe 10 der dritten
Stufe und die Kontaktfläche 33 des
massiven Abstandselements 14, die massive Scheibe 9 der zweiten
Stufe und die Kontaktfläche 34 des
massiven Abstandselements 14, die massive Scheibe 9 der zweiten
Stufe und die Kontaktfläche 35 des
massiven Abstandselements 13 sowie die massive Scheibe 8 der
ersten Stufe und die Kontaktfläche 36 des
massiven Abstandselements 13 verbunden. Außerdem sind
die massive Scheibe 8 der ersten Stufe und das massive
Abstandselement 12 durch die Kontaktfläche 37 verbunden.
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Der
oben genannte Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a und
der Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a sind
voneinander durch die oben genannte Kontaktfläche getrennt.
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Schlitze 23 sind
an der Kontaktfläche 22 zwischen
der Flanschwelle 17 und der massiven Scheibe 11 der
vierten Stufe so ausgebildet, dass sie sich radial von dem Hohlraum 21 erstrecken,
um mit einer Vielzahl von Zufuhröffnungen 24 in
Verbindung zu stehen, die in der massiven Scheibe 11 der
vierten Stufe ausgebildet sind.
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An
der oben genannten Kontaktfläche 37 sind
Schlitze 38 so ausgebildet, dass sie mit den Zufuhröffnungen 30 in
Verbindung stehen, und so, dass Dampf, der in den Zufuhröffnungen 30 strömt, radial mit
dem ringförmigen
Hohlraum 39 in Verbindung steht, der an der Umfangsseite
vorgesehen ist. Wie oben erwähnt
ist jeder der Strömungspfade
(23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 und 38)
von dem Schlitz 23 zu dem Hohlraum 39 als eine
Vielzahl von Strömungspfaden
in Umfangsrichtung ausgebildet, und es ist wünschenswert, sie annähernd gleich
beabstandet voneinander anzuordnen.
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An
der oben genannten Kontaktfläche 34 sind
Schlitze 41 so vorgesehen, dass sie mit den Zufuhröffnungen 27 oder 28 in
Verbindung stehen, und so, dass Dampf, der in den Zufuhröffnungen 27 oder 28 strömt, radial
mit dem ringförmigen
Hohlraum 42 in Verbindung steht, der an der Umfangsseite
vorgesehen ist. An der oben genannten Kontaktfläche 33 sind Schlitze 143 vorgesehen,
um eine Verbindung mit den Zufuhröffnungen 26 oder 27 herzustellen, und
damit Dampf, der in den Zufuhröffnungen 26 oder 27 strömt, radial
so strömt,
dass er mit dem ringförmigen
Hohlraum 44 in Verbindung steht, der an der Umfangsseite
vorgesehen ist.
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Für den Hohlraum 39 sind
die Strömungspfade 40 in
einer Anzahl, die der Anzahl der Bewegungsschaufeln 4 der
ersten Stufe entspricht, innerhalb der massiven Scheibe 8 der
ersten Stufe vorgesehen, um jeder der massiven Bewegungsschaufeln 4 der
ersten Stufe Dampf zuzuführen.
Für den
Hohlraum 42 sind die Strömungspfade 43 in einer
Anzahl, die der Anzahl der Bewegungsschaufeln 5 der zweiten
Stufe entspricht, innerhalb der massiven Scheibe 9 der
zweiten Stufe vorgesehen, um jeder der massiven Bewegungsschaufeln 5 der
zweiten Stufe Dampf zuzuführen.
Weiterhin sind für
den Hohlraum 44 die Strömungspfade 45 in
einer Anzahl, die der Anzahl der Bewegungsschaufeln 6 der
dritten Stufe entspricht, innerhalb der massiven Scheibe 10 der
dritten Stufe vorgesehen, um jeder der massiven Bewegungsschaufeln 6 der
dritten Stufe Dampf zuzuführen.
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Für den Dampf,
dessen Temperatur durch Wärmeaustausch
innerhalb jeder der Bewegungsschaufeln erhöht wurde, sind die Strömungspfade 46 in
einer Anzahl, die der Anzahl der Bewegungsschaufeln 4 der
ersten Stufe entspricht, ausgebildet, um den Dampf aus den Bewegungsschaufeln 4 der ersten
Stufe in das Innere der massiven Scheibe 8 der ersten Stufe
wiederzugewinnen, und die Strömungspfade 46 stehen
mit dem Hohlraum 47 in Verbindung, der ringförmig an
der Kontaktfläche 36 des massiven
Abstandselements 13 und der massiven Scheibe 8 der
ersten Stufe ausgebildet ist.
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Auf
die gleiche Art sind die Strömungspfade 54 ausgebildet,
um den Dampf aus den Bewegungsschaufeln 5 der zweiten Stufe
in das Innere der massiven Scheibe 9 der zweiten Stufe
wiederzugewinnen, und die Strömungspfade 54 stehen
mit dem Hohlraum 55 in Verbindung, der ringförmig an
der Kontaktfläche 35 des
massiven Abstandselements 13 und der massiven Scheibe 9 der
zweiten Stufe ausgebildet ist. Auf die gleiche Art sind die Strömungspfade 56 in
einer Anzahl, die der Anzahl der Bewegungsschaufeln 6 der
dritten Stufe entspricht, ausgebildet, um den Dampf aus den dritten
Bewegungsschaufeln 6 in das Innere der massiven Scheibe 10 der
dritten Stufe wiederzugewinnen, und die Strömungspfade 56 stehen
mit dem Hohlraum 57 in Verbindung, der ringförmig an
der Kontaktfläche 32 des
massiven Abstandselements 15 und der massiven Scheibe 10 der
dritten Stufe ausgebildet ist.
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Der
Hohlraum 47 steht mit der Wiedergewinnungsöffnung 48 in
Verbindung, die von der Kontaktfläche 36 axial durch
das massive Abstandselement 13 hindurchgeht. Der Hohlraum 55 steht
mit der Wiedergewinnungsöffnung 48 in
Verbindung, die von der Kontaktfläche 35 axial durch
das massive Abstandselement 13 hindurchgeht. Der Hohlraum 57 steht
mit der Wiedergewinnungsöffnung 52 in
Verbindung, die von der Kontaktfläche 32 axial durch
das massive Abstandselement 15 hindurchgeht.
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Weiterhin
steht die Wiedergewinnungsöffnung 52 mit
dem Wiedergewinnungs-Strömungspfad 59 durch
den Strömungspfad 58 in
Verbindung.
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Die
Strömungspfade,
die an dem Scheibenumfangsabschnitt für die Zufuhr/Wiedergewinnung von
Kühlmittel
zu/aus den Bewegungsschaufeln vorgesehen sind, werden auf diese
Art für
die Zufuhrseite und die Wiedergewinnungsseite getrennt.
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Bei
Dampf aus einem Dampfgenerator wie einem Boiler etc. erreicht der
Dampf, der durch den inneren Strömungspfad 20 in
den Hohlraum 21 eingeleitet wird, durch den Schlitz 23 die
Zufuhröffnung 24,
die von der Kontaktfläche 22 axial
durch die massive Scheibe 11 der vierten Stufe hindurchgeht.
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Der
Dampf, der durch die Zufuhröffnungen 25, 26, 27, 28, 29 und 30 hindurchgegangen
ist, wird durch den Schlitz 38 in den Hohlraum 39 eingeleitet. Der
Dampf, der dem Hohlraum 21 zugeführt wird, wird an die entsprechenden
Zufuhröffnungen
verteilt und dann parallel zugeführt,
bis er den Hohlraum 39 erreicht. Der Dampf von dem Hohlraum 39 wird
durch den Strömungspfad 40 zu
Zufuhröffnungen
jeder Bewegungsschaufel 4 der ersten Stufe zugeführt und dann
in die Bewegungsschaufeln eingeführt.
Weiterhin wird der Dampf, der durch die Zufuhröffnung 27 hindurchgegangen
ist, zu der Zufuhröffnung 28 geleitet,
während
er durch den Schlitz 41 in den Hohlraum 42 eingeführt wird.
Der Dampf von dem Hohlraum 42 wird durch die Strömungspfade 43 den
Bewegungsschaufeln 5 der zweiten Stufe zugeführt. Weiterhin wird
der Dampf, der durch die Zufuhröffnung 26 hindurchgegangen
ist, der Zufuhröffnung 27 zugeleitet, während er
durch den Schlitz 143 in den Hohlraum 44 eingeführt wird.
Der Dampf von dem Hohlraum 44 wird den Bewegungsschaufeln 6 der
dritten Stufe durch den Strömungspfad 45 zugeführt.
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Als
Nächstes
wird im Folgenden die Wiedergewinnung des Dampfs, der in die Bewegungsschaufeln
zugeführt
wird, erläutert.
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Der
Dampf, der die Bewegungsschaufeln 4 der ersten Stufe gekühlt hat
und dessen Temperatur erhöht
wurde, wird durch den Strömungspfad 46 in den
Hohlraum 47 eingeführt
und erreicht die Wiedergewinnungsöffnung 48. Weiterhin
wird der Dampf, der die Bewegungsschaufeln 5 der zweiten
Stufe gekühlt
hat und dessen Temperatur erhöht
wurde, durch den Strömungspfad 54 in
den Hohlraum 55 eingeführt
und strömt
vereint in die Wiedergewinnungsöffnung 48.
Weiterhin wird der Dampf, der die Bewegungsschaufeln 6 der
dritten Stufe gekühlt
hat und dessen Temperatur erhöht
wurde, durch den Strömungspfad 56 in
den Hohlraum 57 eingeführt
und fließt
vereint in die Wiedergewinnungsöffnung 52.
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Der
Dampf, der die Wiedergewinnungsöffnung 53 erreicht
hat, geht durch den zentral ausgerichteten Strömungspfad 58 hindurch,
der innerhalb der Flanschwelle 17 vorgesehen ist, und wird
aus dem Rotor durch den Strömungspfad 59 wiedergewonnen,
der von der Flanschwelle 17 und dem Trennrohr 19 gebildet
ist. Die Strömungspfade 48, 49, 50, 51, 52, 53 und 58 von
den Hohlräumen 47, 55, 57 zu
dem Strömungspfad 59,
der von der Flanschwelle 17 und dem Trennrohr 19 gebildet
wird, weisen jeder in Umfangsrichtung mehrere Pfade auf, wobei die
mehreren Pfade so angeordnet sind, dass sie in Umfangsrichtung in
gleichem Abstand voneinander angeordnet sind und die Zufuhrströmungspfade 41 und 143 nicht
kreuzen, wodurch der Dampf parallel wiedergewonnen wird.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
ist der Dampfzufuhrdurchlass zu dem Rotor der innere Strömungspfad 20 des
Trennrohrs 19, und der Wiedergewinnungsdurchlass ist der äußere Strömungspfad 59 des
Trennrohrs 19; es ist jedoch möglich, den Zufuhrdurchlass
und den Wiedergewinnungsdurchlass umzukehren, d. h. es ist möglich, den
Dampf in umgekehrter Richtung strömen zu lassen.
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Bei
der oben genannten Ausführungsform
ist der Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad
zwischen den angrenzenden Dampfzufuhr-Strömungspfaden und an der Umfangsseite,
die weiter außen gelegen
ist als die Zufuhrströmungspfade,
inner halb des Bereichs, in dem die oben genannten Kontaktflächen vorhanden
sind, angeordnet. Dadurch kann ein Temperaturgefälle der Scheiben und der Abstandselemente
zu einem Startzeitpunkt gering gehalten werden.
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Im
Gegensatz dazu kann weiterhin in dem Fall, wenn der Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad
zwischen den angrenzenden Dampfzufuhr-Strömungspfaden und an der Zentralseite,
die weiter innen gelegen ist als die Zufuhrströmungspfade, angeordnet ist,
eine stabilere Temperatur für
ein Lagermetall eines Lagerabschnitts (nicht gezeigt), der so angeordnet
ist, dass er die Flanschwelle 17 stützt, gewährleistet werden.
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Alternativ
ist ein Aufbau möglich,
bei dem keine Zufuhr und Wiedergewinnung von der Flanschwelle 17 stattfindet,
wie bei der vorliegenden Ausführungsform.
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Dabei
sind als konstituierende Strömungspfade
der Zufuhrströmungspfade
und der Wiedergewinnungs-Strömungspfade
sowohl erste Strömungspfade
für eine
Versorgung der Zufuhröffnungen 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30,
die axial durch die Scheiben und die Abstandselemente von dem Inneren
der Kontaktflächen
der Seiten der massiven Scheiben und der Abstandselemente hindurchgehen,
als auch zweite Strömungspfade
zur Wiedergewinnung durch die Wiedergewinnungsöffnungen 48, 49, 50, 51, 52, 53 vorgesehen,
wobei die ersten Strömungspfade und
die zweiten Strömungspfade
durch die Kontaktflächen 31, 32, 33, 34, 35, 36 der
Scheiben und der Abstandselemente getrennt sind. D. h. dass Zusatzeinrichtungen
wie Trennrohre oder Verbindungsrohre für die Trennung der ersten Strömungspfade
und der zweiten Strömungspfade
nicht notwendig sind, so dass keine Gefahr besteht, dass die Zusatzeinrichtungen
abfallen und durch die Zentrifugalkraft und die Wärmespannung
zerstört
werden, und die Zuverlässigkeit
innerhalb des Rotors stark erhöht
wird.
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Weiterhin
sollten die Scheiben der vorliegenden Ausführungsform mit breiteren Kontaktflächen versehen
sein als in dem Fall, wenn der Kühlmittelzufuhr-Strömungspfad
und/oder der Kühlmittelwiedergewinnungs-Strömungspfad
so ausgebildet sind, dass sie durch die Kontaktflächen 31 bis 37 hindurchgehen.
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Sogar
wenn die Auswirkung der Zentrifugalkraft groß wird, indem die Scheiben
massiv hergestellt werden, und die auf den zentralen Abschnitt aufgebrachte
Spannung groß ist,
können
daher stabilere Scheiben zur Verfügung gestellt werden. Außerdem ist
eine Verwendung bei einer Gasturbine möglich, die mit hohlen Scheiben
versehen ist, die Öffnungen
an ihren zentralen Abschnitten aufweisen. Außerdem kann die Zuverlässigkeit
der Gasturbine weiter verbessert werden, indem sie zusammen mit der
dritten Ausführungsform
verwendet wird.
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Andererseits
ist auch eine Verwendung bei einer Gasturbine möglich, die mit hohlen Scheiben versehen
ist, die Öffnungen
an den zentralen Abschnitten der Scheiben (am Wellenzentrum) aufweisen.
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Weiterhin
besteht ein weiteres Merkmal darin, dass Kontaktflächen, an
denen die oben genannten Scheiben 8 bis 11 und
die Abstandselemente 13, 14 und 15 miteinander
in Kontakt stehen, zwischen den Scheiben 8 bis 11 und
den Abstandselementen 13, 14 und 15 ausgebildet
sind, und dass äußere Strömungspfade
(110a) 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75 usw.
vorgesehen sind, die durch eine äußere Umfangsseite
des Bereichs hindurchgehen, der die Kontaktflächen bildet, durch die oben
genannten Scheiben und Abstandselemente in der Rotorachsenrichtung
hindurchgehen und ein Fluid mit niedrigerer Temperatur als das Verbrennungsgas,
das in der Gasturbine strömt,
führen.
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Innerhalb
des Rotors sind die äußeren Strömungspfade 110a der
vierten Strömungspfade
vorgesehen, die sich von dem oben genannten Zufuhrströmungspfad
und Wiedergewinnungs-Strömungspfad
unterscheiden.
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Konstituierende
Elemente der äußeren Strömungspfade 110a sind Öffnungen,
die durch die Umfangsseite jeder Scheibe in dem Kontaktbereich mit dem
angrenzenden Abstandselement hindurchgehen, und Hohlräume, die
zwischen den angrenzenden Abstandselementen ausgebildet sind. An
dem Umfangsabschnitt, der weiter außen gelegen ist als die oben
genannten Kontaktflächen,
ist ein ringförmiger
Hohlraum 65 vorgesehen, der von dem Abstandsstück 16,
der massiven Scheibe 8 der ersten Stufe und dem hohlen
Abstandselement 12 gebildet wird. Ein ringförmiger Hohlraum 67 ist
vorgesehen, der von der massiven Scheibe 8 der ersten Stufe
und dem massiven Abstandselement 13 gebildet wird. Auf
die gleiche Art sind Hohlräume 71, 73 und 75 zwischen
entsprechenden Scheiben und Abstandselementen vorgesehen.
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Ein
Schlitz 64, der so vorgesehen ist, dass er sich in einer
radialen Richtung an den Kontaktflächen 12 des Abstandsstücks 16 mit
dem hohlen Abstandselement 12 erstreckt, steht mit dem
Hohlraum 65 in Verbindung. Eine Öffnung 66 ist vorgesehen,
die axial durch die massive Scheibe 8 der ersten Stufe
hindurchgeht und den Hohlraum 65 und den Hohlraum 67 verbindet.
Darunter sind auf die gleiche Art eine Öffnung 68, die axial
durch das massive Abstandselement 13 hindurchgeht, um die
angrenzenden Abstandselemente miteinander zu verbinden, eine Öffnung 70,
die axial durch die massive Scheibe 9 der zweiten Stufe
hindurchgeht, eine Öffnung 72,
die axial durch das massive Abstandselement 14 hindurchgeht,
und eine Öffnung 74,
die axial durch die massive Scheibe 10 der dritten Stufe
hindurchgeht, vorgesehen. Der Hohlraum 75 steht mit dem
Gasströmungspfad
der Gasturbine durch eine Öffnung
in Verbindung, die axial in dem massiven Abstandselement 15 durch
Perforation ausgebildet ist. Hier weist jeder Strömungspfad 66, 68, 70, 74 eine
Vielzahl von Pfaden auf, die in Umfangsrichtung in gleichem Abstand
an solchen Positionen angeordnet sind, dass sie die Zufuhröffnungen 40, 43, 45 und
die Wiedergewinnungsöffnungen 46, 54, 56 von
und zu den Bewegungsschaufeln nicht kreuzen.
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Ein
Teil der Luft in dem Kompressor-Luftströmungspfad 5a strömt in den
Innenraum 62 durch einen Schlitz 61 zwischen den
Kompressorscheiben 2. Die komprimierte Luft in dem Innenraum 62 wird
in den Hohlraum 65 durch einen Schlitz 64 zugeführt, der
sich radial nach außen
zwischen dem Abstandsstück 16 und
dem hohlen Abstandselement 12 erstreckt, und wird dann
durch die Öffnung 66 in
den Hohlraum 67 zugeführt.
Dabei wird auf die gleiche Art die Luft seinerseits durch die Öffnung 68,
den Hohlraum 69, die Öffnung 70,
den Hohlraum 71, die Öffnung 72,
den Hohlraum 73 und die Öffnung 74 in den Hohlraum 75 zugeführt. Dann
wird die Luft aus der Öffnung 76 in
den Gasströmungspfad 6a abgeführt.
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Da
ein äußerer Strömungspfad
als ein vierter Strömungspfad
vorgesehen ist, der die Hohlräume 65, 67, 69, 71, 73, 75 durchläuft, die
von den Scheiben und den Abstandselementen an der Umfangsseite des
Rotors und dem komprimierten Luftstrom dort gebildet werden, ist
es außerdem
möglich,
den Eintritt der Wärme
von dem Gas turbinen-Gasströmungspfad
zu dem zentralen Abschnitt des Turbinenrotors 1a zu unterbrechen.
-
Da
die Lufttemperaturatmosphäre
in den Hohlräumen 65, 67, 69, 71, 73, 75 an
den Seiten der ersten, zweiten und dritten massiven Scheibe jeweils gleich
wird, ist es außerdem
möglich,
eine Wärmeverformung
zu unterdrücken,
die aufgrund des Temperaturunterschieds an den Seiten der Scheibe
links und rechts unterschiedlich ist. D. h. eine Neigungsverformung
der Bewegungsschaufeln, die am Umfang der Scheiben positioniert
sind, wird ebenfalls gering, und es ist möglich, den Schaufelspalt der
Bewegungsschaufeln durch einen reduzierten Verformungsbetrag klein
zu halten.
-
Durch
Kombination mit dem Merkmal des Vorsehens der Kühlmittelzufuhr- und -wiedergewinnungswege,
die durch die oben genannten Kontaktflächen hindurchgehen, wird außerdem Luft
mit derselben Temperaturhöhe
von dem Kompressor zu den Hohlräumen 78, 80, 82, 84, 86 und 88 sowie
den Hohlräumen 65, 67, 69, 71, 73, 75 und 90 zugeführt, so
dass ein Temperaturunterschied zwischen der Rotorumfangsseite und
dem zentralen Rotorabschnitt weiter verringert werden kann und radiale
Zugspannung, die auf den zentralen Rotorabschnitt einwirkt, reduziert
werden kann.
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Weiterhin
ist ein äußerer Strömungspfad 110a so
aufgebaut, dass er mit dem Gasströmungspfad der Gasturbine durch
die Seitenflächen
der massiven Scheibe 10 der dritten Stufe in Verbindung steht,
wodurch es möglich
ist, zu verhindern, dass durch die Luft, die durch den äußeren Strömungspfad 110a hindurchgegangen
ist, Gas in die Seitenflächen der
Scheiben gelangt. D. h. dass ein Teil der abdichtenden Luft, die
verhindert, dass Gas in die Scheibenseiten eintritt, durch die Luft
ausgeglichen werden kann, die durch den äußeren Strömungspfad 110a hindurchgegangen
ist, und die Menge der abdichtenden Luft reduziert werden kann.
-
Die
vorliegende Ausführungsform
ist wirkungsvoller, wenn sie zusammen mit einer dritten Ausführungsform
und einer vierten Ausführungsform angewandt
wird.
-
Die
dritte Ausführungsform
wird unter Bezugnahme auf 1 und 3 erläutert.
-
Die
dritte Ausführungsform
kann grundsätzlich
gleich sein wie der Grundaufbau von 2.
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Ein
Hauptunterschied gegenüber
dem Aufbau von 2 besteht darin, dass die dritten
Bewegungsschaufeln 6, die die zweite Stufe vor der letzten Stufe
darstellen, luftgekühlte
Bewegungsschaufeln sind, und der oben genannte Zentralseiten-Verbindungsströmungspfad 10a und
der äußere Strömungspfad 110a mit
den dritten Bewegungsschaufeln 6 verbunden sind.
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Im
Folgenden wird dies im Einzelnen beschrieben. Der folgende Aufbau
ist zusätzlich
zu dem oben beschriebenen allgemeinen Aufbau vorgesehen.
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Ein
Strömungspfad 201 ist
innerhalb der massiven Scheibe 10 der dritten Stufe vorgesehen, um
Luftzufuhrdurchlässe
des oben genannten Hohlraums und die Bewegungsschaufeln 6 der
dritten Stufe zu verbinden. Öffnungen 203,
die axial durch das massive Abstandselement 15 hindurchgehen, sind
dafür vorgesehen,
den Hohlraum 75, der zwischen den Bewegungsschaufeln 10 der
dritten Stufe und dem massiven Abstandselement 15 ausgebildet ist,
und den oben genannten Hohlraum 90 zu verbinden. Weiterhin
sind innerhalb der massiven Scheibe 10 der dritten Stufe
Strömungspfade 202 vorgesehen,
um den Hohlraum 75 und die Luftzufuhrdurchlässe zu verbinden.
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Ein
erster Teil der Luft, der von dem Kompressor-Luftzufuhr-Strömungspfad 5a abzweigt,
erreicht den Hohlraum 73 durch den Schlitz 64,
den Hohlraum 65, die Öffnung 66,
den Hohlraum 67, die Öffnung 68,
den Hohlraum 69, die Öffnung 70,
den Hohlraum 71 und die Öffnung 72 von dem
Innenraum 62. Weiterhin erreicht ein zweiter Teil der abgezweigten
Luft den Hohlraum 75 durch die Öffnung 77, den Hohlraum 78,
die Öffnung 79,
den Hohlraum 80, die Öffnung 81,
den Hohlraum 82, die Öffnung 83,
den Hohlraum 88, den Schlitz 89 und den Hohlraum 90 von
dem Innenraum 62 und durch die Öffnungen, die radial durch
das massive Abstandselement 15 von dem Hohlraum 90 hindurchgehen.
Die Luft, die den Hohlraum 73 und den Hohlraum 75 erreicht
hat, strömt
durch die Strömungspfade 201, 202,
deren Anzahl der Anzahl der Bewegungsschaufeln der dritten Stufe
entspricht, die in den massiven Bewegungsschaufeln 6 der
dritten Stufe ausgebildet sind, und wird zur Kühlung der Bewegungs schaufeln 6 der dritten
Stufe verwendet. Die Luft wird nach dem Kühlen von den Bewegungsschaufeln 6 der
dritten Stufe in den Gasströmungspfad
abgeführt.
-
Durch
die Luft, die von den Bewegungsschaufeln 6 der dritten
Stufe in den Gasströmungspfad
abgeführt
wird, kann das Problem auftreten, dass eine Kraftwiedergewinnungsmenge
an den Bewegungsschaufeln 7 der vierten Stufe stromabwärts davon,
d. h. der thermische Wirkungsgrad der Anlage, verringert wird. Da
jedoch die Anzahl der dampfgekühlten
Bewegungsschaufeln reduziert wird, verringert sich auch eine Menge
an notwendigem Kühlungsdampf,
und die Dampfzufuhreinrichtung kann eine geringe Größe haben.
D. h. es können
Einrichtungskosten gespart werden.
-
Bei
der vorliegenden Ausführungsform
werden weiterhin alle Mengen der Luft, die durch den dritten und
den vierten Strömungspfad
geleitet werden, zur Kühlung
der Bewegungsschaufeln 6 der dritten Stufe verwendet; in
dem Fall, wenn eine erforderliche Menge der Luft, die durch den
dritten und den vierten Strömungspfad
hindurchgeht, mehr als eine Menge zur Kühlung der Bewegungsschaufeln 6 der dritten
Stufe ist, kann jedoch die überschüssige Luft für eine Luftabdichtung
der Seitenflächen
der massiven Scheibe 10 der dritten Stufe und der massiven Scheibe 11 der
vierten Stufe verwendet werden.
-
Eine
vierte Ausführungsform
wird unter Bezugnahme auf 1 und 4 erläutert.
-
Die
vierte Ausführungsform
ist so aufgebaut, dass Strömungspfade
angeordnet sind, die die oben genannten Hohlräume 78, 80, 82, 84, 86 und 88 mit den
Dampfzufuhr-Strömungspfaden 24 bis 30 zum Kühlen der
Bewegungsschaufeln oder den Wiedergewinnungs-Strömungspfaden 48 bis 53 verbinden, und
der Dampf, der in den oben genannten Zufuhrströmungspfaden strömt, wird
in die Hohlräume
eingeleitet, oder der Dampf, der in die Hohlräume eingeleitet wird, wird
in den Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad
eingeleitet.
-
Bei
der vorliegenden Ausführungsform
kann grundsätzlich
ein Aufbau angewandt werden, der in den Hauptteilen gleich ist wie
der Aufbau in 2. Außerdem kann grundsätzlich der
allgemeine Aufbau von 1 und 2 verwendet
werden. Der folgende Aufbau ist zusätzlich zu dem oben erwähnten allgemeinen
Aufbau vorgesehen.
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Im
Einzelnen beschrieben ist der oben genannte Zentralseiten-Verbindungsströmungspfad 10a dafür vorgesehen,
die Hohlräume 78, 80, 82, 84, 86, 88 und
den Dampf-Zufuhrströmungspfad 8a oder den
Dampf-Wiedergewinnungs-Strömungspfad 9a zu
verbinden. Ein Teil des Kühlmittels
für die
Bewegungsschaufeln von dem Dampf-Zufuhrströmungspfad 8a wird
den oben genannten Hohlräumen
zugeführt,
und anschließend
strömt
das Kühlmittel
in den Hohlräumen
so, dass es sich der Strömung
in dem oben genannten Dampf-Wiedergewinnungs-Strömungspfad 9a anschließt.
-
Schlitze 103,
die so ausgebildet sind, dass sie radial zu dem Zentrum an der Kontaktfläche 33 ausgerichtet
sind, sind vorgesehen, um den Dampf von der Zufuhröffnung 29,
die ein konstituierendes Element des Dampfzufuhr-Strömungspfads
(des ersten Strömungspfads) 8a ist,
dessen Zweck die Dampfzufuhr ist, zu dem Hohlraum 78 strömen zu lassen.
Schlitze 104, die so ausgebildet sind, dass sie radial
zu dem Zentrum an der Kontaktfläche 33 ausgerichtet
sind, sind vorgesehen, um Dampf aus dem Hohlraum 78 in
die Zufuhröffnung 122 wiederzugewinnen,
die ein konstituierendes Element des Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfads 9a ist, dessen
Zweck die Dampfwiedergewinnung ist. Weiterhin sind Schlitze 105 und
Schlitze 106 dafür
vorgesehen, dass der Dampf, der von dem Schlitz 105 in den
Hohlraum 80 strömt,
durch die Schlitze 106 wiedergewonnen wird. Auf die gleiche
Art sind Schlitze 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113 und 114 vorgesehen.
-
Der
Dampf, der durch diese Strömungspfade strömt, wird
ohne Kühlung
der Bewegungsschaufeln wiedergewonnen.
-
Weiterhin
sind Zufuhröffnungen 115, 116, 117, 118, 119, 120 und 121,
die durch jede Scheibe oder jedes Abstandselement hindurchgehen,
als Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a vorgesehen.
Weiterhin werden Wiedergewinnungsöffnungen 122, 123, 124, 125, 126 und 127,
die durch jede Scheibe oder jedes Abstandselement hindurchgehen,
als Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a verwendet.
-
Ein
Teil des Dampfs, der in der Zufuhröffnung 29 strömt, wird
durch die Schlitze 103 dem Hohlraum 78 zugeführt. Der
zugeführte
Dampf erfährt
einen Wärmeaustausch
mit der ersten massiven Scheibe 8 und dem ersten Abstandselement 13 um
einen zentralen Abschnitt. Die Scheiben und Abstandselemente können zum
Startzeitpunkt der Gasturbine von dem Dampf erwärmt werden. Anschließend wird
er in der Wiedergewinnungsöffnung 122 durch
die Schlitze 104 wiedergewonnen.
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Da
der Scheibenabschnitt in der Nachbarschaft des Zentrums erwärmt werden
kann, wird ein Temperaturunterschied zwischen der Rotorumfangsseite
und dem zentralen Abschnitt klein, radiale Zugwärmespannung an dem zentralen
Abschnitt wird unterdrückt.
Außerdem
ist es möglich,
das Auftreten von Wärmeverformung,
die bezüglich
der rechten und linken Seite asymmetrisch ist, in dem zentralen Abschnitt
der Scheibe zu verhindern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Gasturbine zur Verfügung gestellt werden, bei der
die Zuverlässigkeit
des Betriebs der Gasturbine verbessert wird, indem Wärmespannung
unterdrückt wird,
die auf den zentralen Rotorabschnitt einwirkt.