DE69634618T2

DE69634618T2 - Gasturbine mit Kühlflüssigkeiten-Rückgewinnungssystem

Info

Publication number: DE69634618T2
Application number: DE69634618T
Authority: DE
Inventors: Shinya Hitachinaka-shi Marushima; Manabu Higashiibaraki-gun Matsumoto; Kazuhiko Hitachinaka-shi Kawaike; Takashi Hitachi-Shi Ikeguchi; Takashi Tsuchiura-shi Machida; Masaru Sekihara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2016-11-30
Also published as: DE69634618D1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, bei der Bewegungsschaufeln gekühlt werden, und insbesondere auf eine Gasturbine in geschlossener Kühlkreislaufbauweise, bei der das Kühlmittel zum Kühlen der Bewegungsschaufeln wiedergewonnen wird.
Stand der Technik
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.
Offenbarung der Erfindung
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.
Jedoch werden in der JP-A-3-275946 keine konkreten Maßnahmen bezüglich der oben erwähnten Wärmebeeinflussung ergriffen.
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.
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.
Die EP-A-735 238 beschreibt eine Gasturbine, die einen Rotorkühlkreislauf mit einem Kühlmittelzufuhrspeicher zum Zuführen von Kühlmedium zu einer Vielzahl von Axialkanälen durch die Turbinenscheiben- und Abstandselementränder aufweist. Ein Kanal sorgt für eine Verbindung für das Kühlmittel aus dem Speicher durch ein aufeinanderfolgendes und schlangenförmiges Ein- und Umströmen von Hohlräumen zwischen den Scheiben und Abstandselementen. Die Ströme werden in einer Kammer wiedervereinigt, damit das Kühlmedium in Behälter der ersten und zweiten Stufe strömt. Rückführkanäle durch die Ränder der Scheiben und Abstandselemente führen gebrauchtes Kühlmedium aus den Behältern zu einer Rückführstelle außerhalb des Rotors zurück.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, eine Gasturbine bereitzustellen, die eine hohe Betriebssicherheit hat.
Dieses Problem wird durch eine Gasturbine gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Bevorzugte Ausführungsformen der Gasturbine der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.
Da bei der Gasturbine der Erfindung der erste Zuführströmungspfad, der Kühlmittel für die Bewegungsschaufeln zuführt, durch die Scheiben und Abstandselemente an den Kontaktflächen hindurchgeht, ist es nicht erforderlich, Trennrohre oder Verbindungsrohre zum Trennen der ersten Zuführströmungspfade und der Wiedergewinnungsströmungspfade zu verwenden, so dass keine Gefahr besteht, dass die zusätz lichen Teile unter der Wirkung der Zentrifugalkraft aufgrund hoher Drehzahl und Wärmespannung ausfallen oder brechen. Die Verwendung der ersten Zuführströmungspfade und der Wiedergewinnungsströmungspfade kann jedoch zu einer großen Wärmespannung in dem Rotor aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen den ersten Zuführströmungspfaden und den Wiedergewinnungsströmungspfaden führen, wobei letztere wegen des Wärmeaustausches mit den heißen Bewegungsschaufeln eine höhere Temperatur haben. Weiterhin tritt während des Zeitraums eines instationären Betriebs beim Anlauf eine große Temperaturdifferenz zwischen der Umfangsseite des Rotors und dem Zentralabschnitt des Rotors auf. Diese Wärmespannungen können durch das Fluid verringert werden, das aus dem Kompressor über die zweiten, in den Scheiben vorgesehenen Zuführströmungspfade in die Spalte zugeführt wird.
Kurze Erläuterung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht eines Rotors einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Schnittansicht eines Rotors einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 ist eine Schnittansicht eines Rotors einer Gasturbine mit Kühlmittelwiedergewinnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beste Ausführungsart
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.
Zunächst wird dies unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Der allgemeine Aufbau der Ausführungsform ist wie folgt:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Bewegungsschaufeln zuführt, sowie ein Wiedergewinnungs-Strömungspfad für das durch die Bewegungsschaufeln erwärmte Kühlmittel vorgesehen sind.
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.
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.
Daher ist es nicht notwendig, Zusatzeinrichtungen wie Trennrohre oder Verbindungsrohre vorzusehen, um den Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a und den Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a voneinander zu trennen.
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.
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.
Grundsätzlich wird der allgemeine Aufbau der oben genannten, in 1 gezeigten Ausführungsform angewandt. Als weiterer allgemeiner Aufbau ist der folgende Aufbau vorgesehen.
Ein Gasturbinenrotor ist mit einem Kompressorrotor 3a eines Kompressors 1 und einem Turbinenrotor 1a einer damit verbundenen Turbine 120 versehen.
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.
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.
Eine zweite Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 erläutert.
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.
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.
Im Einzelnen ist bei dieser Ausführungsform, wie in 1 und 2 dargestellt, der folgende Aufbau zusätzlich zu dem oben genannten allgemeinen Aufbau vorgesehen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Hohlräu men 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.
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.
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 Wiedergewinnung des erwärmten Kühlmittels so ausgebildet sind, dass sie axial durch die Scheiben 8 bis 11 und die Abstandselemente 13, 14 und 15 hindurchgehen.
Es folgt eine detaillierte Erläuterung unter Bezugnahme auf 1 und 2. Der folgende Aufbau ist zusätzlich zu dem oben genannten allgemeinen Aufbau vorgesehen.
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.
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.
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.
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, die die oben genannten durchgehenden Öffnungen jeder Scheibe und jedes Abstandselements sind.
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.
Der oben genannte Dampfzufuhr-Strömungspfad 8a und der Dampfwiedergewinnungs-Strömungspfad 9a sind voneinander durch die oben genannte Kontaktfläche getrennt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weiterhin steht die Wiedergewinnungsöffnung 52 mit dem Wiedergewinnungs-Strömungspfad 59 durch den Strömungspfad 58 in Verbindung.
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.
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.
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.
Als Nächstes wird im Folgenden die Wiedergewinnung des Dampfs, der in die Bewegungsschaufeln zugeführt wird, erläutert.
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.
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.
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.
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, innerhalb 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.
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.
Alternativ ist ein Aufbau möglich, bei dem keine Zufuhr und Wiedergewinnung von der Flanschwelle 17 stattfindet, wie bei der vorliegenden Ausführungsform.
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.
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.
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.
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.
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 o ben genannten Scheiben und Abstandselemente in der Rotorachsenrichtung hindurchgehen und ein Fluid mit niedrigerer Temperatur als das Verbrennungsgas, das in der Gasturbine strömt, führen.
Innerhalb des Rotors sind die äußeren Strömungspfade 110a der vierten Strömungspfade vorgesehen, die sich von dem oben genannten Zufuhrströmungspfad und Wiedergewinnungs-Strömungspfad unterscheiden.
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.
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.
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.
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 Gasturbinen-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 radi ale Zugspannung, die auf den zentralen Rotorabschnitt einwirkt, reduziert werden kann.
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.
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.
Im Folgenden wird dies im Einzelnen beschrieben. Der folgende Aufbau ist zusätzlich zu dem oben beschriebenen allgemeinen Aufbau vorgesehen.
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.
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 Bewegungsschaufeln 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.
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.
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.
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.

Claims

Gasturbine, die eine Rotorwelle und einen Kompressor mit einem Kompressorrotor aufweist, der mit der Rotorwelle verbunden ist, wobei die Rotorwelle eine Vielzahl von Scheiben (8, 9, 10, 11, 12a), eine Vielzahl von Bewegungsschaufeln (4, 5, 6, 7, 7a), die von Verbrennungsgas angetrieben werden und ringförmig an dem Umfangsabschnitt jeder der Vielzahl von Scheiben (8, 9, 10, 11, 12a) angeordnet sind, Abstandselemente (11a, 13, 14, 15), die zwischen den Scheiben (8, 9, 10, 11, 12a) angeordnet sind, wobei die Scheiben (8, 9, 10, 11, 12a) und die Abstandselemente (11a, 13, 14, 15) in Axialrichtung abwechselnd angeordnet sind, Spalte (78, 80, 82, 84, 86, 88), die zwischen den rotorachsenseitigen Bereichen der Scheiben (8, 9, 10, 11, 12a) und angrenzenden Abstandselementen (11a, 13, 14, 15) ausgebildet sind, Kontaktflächen (16a, 31, 32, 33, 34, 35, 36) in rotorumfangsseitigen Bereichen, an denen die Scheiben (8, 9, 10, 11, 12a) und angrenzende Abstandselemente (11a, 13, 14, 15) miteinander in Kontakt stehen, erste Zufuhrströmungspfade (8a), die an den Kontaktflächen (16a, 31, 32, 33, 34, 35, 36) durch die Scheiben (8, 9, 10, 11, 12a) und die Abstandselemente (11a, 13, 14, 15) hindurchgehen und Kühlmittel zur Kühlung der Bewegungsschaufeln (4, 5, 6, 7, 7a) zuführen, und Wiedergewinnungsströmungspfade (9a) für eine Rückgewinnung des durch die Bewegungsschaufeln (4, 5, 6, 7, 7a) erwärmten Kühlmittels umfasst, gekennzeichnet durch zweite Zufuhrströmungspfade (10a, 77, 81, 85), die in den Scheiben (8, 9, 10, 11, 12a) vorgesehen sind und Fluid von dem Kompressor in die Spalte (78, 80, 82, 84, 86, 88) zuführen.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiedergewinnungsströmungspfade (9a) radial weiter außen angeordnet sind als die ersten Zufuhrströmungspfade (8a).
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiedergewinnungsströmungspfade (9a) weiter innen angeordnet sind, als die ersten Zufuhrströmungspfade (8a).