-
Technisches
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Dichtungsstruktur für
Flanschkontaktflächen
in einer dampfgekühlten
Gasturbine, die in einem Kombi-Kraftwerk u. ä. verwendet wird, das eine
Gasturbinenanlage und eine Dampfturbinenanlage kombiniert.
-
Beschreibung
des Standes der Technik
-
Ein Kombi-Kraftwerk ist ein elektrisches
Energieerzeugungssystem, in welchem eine Gasturbinen- und eine Dampfturbinenanlage
kombiniert sind, wobei die Gasturbine dazu dient, in einem Hochtemperaturbereich
der thermischen Energie zu arbeiten, und die Dampfturbine dazu verwendet
wird, in einem niedrigen Temperaturbereich zu arbeiten, um thermische
Energie effizient wiederzugewinnen und zu verwenden. Diese Art von
Energieerzeugungssystem hat in den letzten Jahren zunehmend Beachtung
gefunden.
-
Bei einem Kombi-Kraftwerk wie dem
oben erwähnten
bildet das Verfahren des Kühlens
der Gasturbine ein wichtiges Problem, das bei der technischen Entwicklung
des Kombi-Kraftwerks zu lösen ist.
Als Ergebnis von Trial-and-Error-Ansätzen, um ein effektiveres Kühlverfahren
zu realisieren, gab es eine Entwicklung hin zu dampfgekühlten Systemen, bei
welchen von dem Bodenzyklus her stammender Dampf als Kühlmittel
verwendet wird, und weg von luftgekühlten Systemen, bei welchen
Druckluft als Kühlmittel
verwendet wird.
-
Mit Bezug auf 6 wird nun das Verhalten des Kühldampfes
beschrieben, der in einem herkömmlichen
dampfgekühlten
System an Flanschkontaktflächen
entlang strömt.
-
Normalerweise sind z. B. vier Sätze von
Rotorscheiben 1, die jeweils sich bewegende Schaufeln 2 haben,
die an Schaufelfüßen 3 befestigt
sind, in der axialen Richtung in einem sich drehenden Bereich der
Gasturbine angeordnet. Ein Endrotor 4 ist anschließend an
die Rotorscheibe 1 der letzten Stufe auf der stromabwärtigen Seite
vorgesehen, worin die mehreren Rotorscheiben und der Endrotor 4 integral mittels
Scheibenkopplungsschrauben 5 verbunden sind, wodurch der
drehbare Bereich der Gasturbine gebildet wird.
-
Außerdem ist der Endrotor 4 mit
der Rotorscheibe 1 verklemmt, die an der letzten Stufe
vorgesehen ist, und zwar mittels einer Flanschklemmschraube 6,
so dass der Endrotor 4 in engen Kontakt mit dem Scheibenrotor 1 gebracht
ist.
-
Kühldampf
wird dem drehbaren Bereich der Gasturbine von einem Kühldampfzufuhrsystem
(nicht dargestellt) zugeleitet, so dass es durch die sich bewegende
Schaufel 2 von dem Schaufelfuß 3 über einen
Kühlmitteldurchflusskanal
(nicht dargestellt) umläuft,
um so die sich bewegende Schaufel 2 zu kühlen. In
einem solchen Fall ist der oben definierte Raum zwischen der Rotorscheibe 1 und
dem Endrotor 4 mit einem Teil des Kühldampfes ausgefüllt.
-
Aufgrund eines unzureichenden Oberflächenkontaktdrucks
zwischen den Flanschen, verursacht durch große Flächen der Flanschkontaktoberflächen zwischen
der Rotorscheibe 1 und dem Endrotor 4 sowie durch
eine Oberflächenrauhigkeit
der Flanschkontaktflächen,
sind andererseits winzige Zwischenräume zwischen der Rotorscheibe 1 und dem
Endrotor 4 ausgebildet. Daher strömt Dampf durch diese winzigen
Zwischenräume
hindurch aus, wie durch Pfeile in 6 angedeutet.
-
Bei einer dampfgekühlten Gasturbine
wie der oben beschriebenen führt
das Ausströmen
bzw. die Leckage des Kühldampfes
direkt zu einer Beeinträchtigung
der Leistungsfähigkeit
der Turbine. Demzufolge ist ein Aufbau, bei dem es keine Leckage
des Kühldampfes
gibt, eine unabdingliche Anforderung.
-
Andererseits ist zu berücksichtigen,
dass bei Gasturbinen, die durch Zusammenfügen einer großen Anzahl
von Teilen implementiert sind, es viele Flanschkontaktflächen wie
beispielsweise die Verbindungsbereiche der Rotorscheiben gibt, und
außerdem
in denjenigen Bereichen, wo eine Pufferschicht wie beispielsweise
eine Dichtung und ähnliches
nicht eingesetzt werden kann, insbesondere in solchen Bereichen
mit einem großen
Durchmesser, wo die Kontaktfläche
ansteigt, ist es sehr schwierig oder sogar unmöglich, einen ausreichenden
Oberflächenkontaktdruck
für die
Abdichtung sicherzustellen.
-
GB 722 391, die den Oberbegriff des
Anspruchs 1 bildet, bezieht sich auf Flanschverbindungen für Hochdruckdampf-
und -Gasturbinen. Eine der Flanschoberflächen hat Ausnehmungen in der
Nähe der
Schrauben, so dass eine schmale Dichtungsausrundung zwischen dem
Raum, der abgedichtet werden soll, und den Schraube verbleibt. Um
zu verhindern, dass die schwebende Belastung [Biegebelastung] an
dem Flansch übermäßig groß wird,
ist oft eine weitere Ausrundung auf der anderen Seite der Schrauben
vorgesehen. Demzufolge ist jedes Schraube mit einer schmalen kreisförmigen Ausrundung
umgeben.
-
Wie sich aus dem oben Beschriebenen
ergibt, bildet das Verhindern einer Leckage des Kühldampfes
entlang der Flanschkontaktflächen
ein sehr wichtiges Problem. #
-
ZIEL DER ERFINDUNG
-
Demzufolge zielt die vorliegende
Erfindung darauf ab, die oben erwähnten Probleme zu lösen, und
ein Ziel der Erfindung ist es, eine Dichtungsstruktur für das Abdichten
von Flanschkontaktoberflächen einer
Gasturbine zu schaffen, die dank der erfinderischen Verbindungsstruktur
der Gasturbinenflansche, die Abdichtbarkeit bei den Flanschkontaktoberflächen verbessert.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung ist gemacht
worden, um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, und schafft
eine Dichtungsstruktur für
eine Flanschkontaktfläche
einer Gasturbine mit einer dampfgekühlten Struktur, wobei diese
Dichtungsstruktur als eine Vielzahl von labyrinthartigen Nuten in
zumindest einer der Flanschkontaktflächen der Gasturbine ausgeformt
ist.
-
Durch Vorsehen von mehreren labyrinthartigen
Nuten in zumindest einer Flanschkontaktoberfläche kann derjenige Flächenbereich,
in welchem die Flanschkontaktoberflächen in physischem Kontakt miteinander
stehen, reduziert werden und so kann ein hoher Oberflächenkontaktdruck
sichergestellt werden für
eine gegebene Klemmkraft, die aufgebracht wird zum Zusammenfügen der
Flanschflächen,
wodurch eine signifikant verbesserte Abdichtbarkeit zusammen mit
einem Labyrintheffekt sichergestellt werden kann dank der labyrinthartigen
ungleichmäßigen Nuten.
-
Außerdem schafft die vorliegenden
Erfindung eine Dichtungsstruktur für eine Flanschkontaktoberfläche einer
Gasturbine, bei welcher die oben erwähnten Flanschkontaktoberflächen Kontaktoberflächen von
benachbarten Rotorscheiben sind, zwischen welchen ein Dampfdurchflusskanal
ausgeformt ist.
-
Das heißt, die Kontaktoberflächen der
benachbarten Rotorscheiben sind in Kontakt miteinander gebracht über einen
relativ großen
Bereich hinweg. Demzufolge ist das Auftreten einer Leckage des Kühlmitteldampfes
wahrscheinlicher in diesen Verbindungsbereichen verglichen mit den
anderen Bereichen der Gasturbine. Durch Ausbilden einer Vielzahl
von labyrinthartigen Nuten in zumindest einer Kontaktoberfläche kann
das oben erwähnte
Problem effektiv gelöst
werden, und die Abdichtbarkeit der Gasturbine insgesamt kann verbessert
werden.
-
Außerdem schafft die vorliegende
Erfindung eine Dichtungsstruktur für eine Flanschkontaktoberfläche einer
Gasturbine, bei welcher eine Mehrzahl von labyrinthartigen Nuten
in einem im wesentlichen konzentrischen kreisförmigen Muster ausgeformt sind.
-
Durch Ausbilden einer Mehrzahl von
labyrinthartigen Nuten in einem konzentrischen kreisförmigen Muster
wird ein sogenannter Labyrintheffekt durch die ungleichmäßigen Nuten
in jedem Querschnitt in radialer Richtung erzeugt, wodurch die Leckage
des Kühldampfes
bei den Flanschkontaktflächen
ausreichend und gleichmäßig in Umfangsrichtung
unterdrückt
werden kann.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine erläuternde
Ansicht einer Flanschkontaktfläche
in einer Gasturbine gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
2 ist
eine vergrößerte Detailansicht
eines wesentlichen Bereichs A der Struktur in 1.
-
3 ist
eine Detailansicht eines Bereichs, der in 2 mit dem Pfeil B gekennzeichnet ist.
-
4 ist
ein Graph der Ergebnisse eines Abdichtbarkeitstests bei Flanschverbindungsbereichen in
der Gasturbine gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
5 ist
ein Graph von Leckageraten entsprechend den Inhalten der 4 in einer tatsächlichen
Maschine.
-
6 ist
eine erläuternde
Ansicht einer herkömmlichen
Flanschkontaktoberfläche
in einer Gasturbine.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
In der nun folgenden Beschreibung
bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile durch die Zeichnungen
hindurch. Außerdem werden
in der nun folgenden Beschreibung Ausdrücke wie "rechts", "links", "oben", "unten" und ähnliche aus
Gründen
der Einfachheit verwendet und sollen nicht beschränkend verstanden
werden.
-
Ausführungsform 1
-
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nun mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben. In den Zeichnungen
sind gleiche Teile oder Komponenten durch gleiche Bezugszeichen
bezeichnet, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente
wird verzichtet.
-
In der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung ist der grundlegende Aufbau der Gasturbine, bei welcher
mehrere (normalerweise vier) Rotorscheiben 1; die sich
bewegende Schaufeln 2 lagern, in axialer Richtung angeordnet
sind und mit einem Endrotor 4 zusammengekoppelt sind, der
anschließend
an die Rotorscheibe 1 der letzten Stufe auf der stromabwärtigen Seite
vorgesehen ist, und zwar mittels einer Scheibenverbindungsschaufel 5,
gleich wie bei der oben bereits beschriebenen herkömmlichen Gasturbine.
-
Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine der Flanschkontaktoberflächen 7 von
benachbarten Rotorscheiben 1, die einen Dampfdurchflusskanal
bildet, mit einer Mehrzahl von labyrinthartigen Nuten 8 in
einem kreisförmigen
Muster versehen ist, die konzentrisch um die Mittelachse der Turbine
herum ausgeformt sind, wie sich klar aus den 2 und 3 ergibt.
-
Durch Ausbilden von mehreren labyrinthartigen
Nut 8 in einem konzentrischen kreisförmigen Feld wird ein sogenannter
Labyrintheffekt erzeugt aufgrund der ungleichmäßigen Nuten 8 in jedem Querschnitt
in radialer Richtung, wodurch eine Leckage des Kühldampfes bei den Flanschkontaktflächen 7 ausreichend
unterdrückt
werden kann.
-
Außerdem nimmt bei den Flanschkontaktoberflächen 7 der
Flächenbereich,
in dem die verbundenen Flanschkontaktoberflächen in physischen Kontakt
miteinander gebracht sind, proportional entsprechend dem offenen
Flächenbereich
der Nuten 8 ab, was wiederum bedeutet, dass die auf die Flanschkontaktflächen 7 pro
Flächeneinheit
aufgebrachte Klemmkraft ansteigt. Ein höherer Oberflächenkontaktdruck
kann so bei den Flanschkontaktflächen 7 für eine gegebene
Klemmkraft erzeugt werden, wodurch eine Leckage des Kühldampfes
an einer Stelle zwischen den benachbarten Rotorscheiben, wo die
Durchflussgeschwindigkeit des Kühldampfes
hoch ist, verlässlicher
unterdrückt
werden kann.
-
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung
haben Leckagetests durchgeführt
unter Verwendung des Flansches mit den mehreren Nuten wie gemäß der vorliegenden
Ausführungsform,
und zwar durch Aufbringen von zwei unterschiedlichen Klemmkräften, 6031
N (615 kgf) bzw. 3766 N (384 kgf). Gleichzeitig wurde zu Zwecken
des Vergleichs ein Leckagetest mit dem Flansch einer herkömmlichen
Gasturbine ohne Nuten durch Aufbringen einer Klemmkraft von 6031
N (615 kgf) durchgeführt.
Die Ergebnisse dieser Tests sind zum Vergleichen in 4 aufgezeichnet.
-
Wie sich aus dieser Figur ergibt,
ist festgestellt worden, dass im Fall der Struktur mit den Nuten 8 an
den Flanschkontaktoberflächen 7 die
Leckagerate um ungefähr
die Hälfte
abgesenkt ist, wenn die Klemmkraft fast verdoppelt wird von 3766
N (384 kgf) auf 6031 N (615 kgf), wie durch die durchgezogene bzw.
die durchbrochene Linie angezeigt.
-
Außerdem wird, wenn die Klemmkraft
von 6031 N (615 kgf) auf die Flanschkontaktflächen 7 ohne Nuten
in der herkömmlichen
Gasturbine aufgebracht wird, wie als Vergleichsbeispiel durch eine
gepunktete Linie angezeigt, demonstriert, dass es ungefähr einen
achtfachen Unterschied relativ zu der Struktur gemäß der vorliegenden
Ausführungsform gibt,
wie durch eine durchgezogene Linie angezeigt.
-
Die oben erwähnte Beziehung kann in einer tatsächlichen
Maschine, wie sie in 5 veranschaulicht
ist, zusammengefasst werden. Insbesondere ist festgestellt worden,
dass ein beträchtlicher Unterschied
deutlich wird bezüglich
der Dampfleckage zwischen dem Aufbau mit den Nuten 8 in
der Flanschkontaktfläche 7 oder
den Flanschkontaktflächen 7 und
der Struktur ohne Nuten in den Flanschkontaktflächen.
-
In der eben erfolgten Beschreibung
wurde außerdem
angenommen, dass die Nuten 8 zum Verhindern der Leckage
des Kühldampfes
nur in einer der Flanschkontaktflächen 7 ausgeformt
sind. Dies diente: jedoch nur der Anschaulichkeit der Darstellung,
und die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern kann vielen Modifizierungen
unterworfen werden einschließlich
einer Struktur, in welcher die Nuten 8 auch abwechselnd
in der anderen Flanschkontaktoberfläche 7 ausgeformt sind.
-
Wie sich aus der oben erfolgten Beschreibung
ergibt, kann dank der Dichtungsstruktur für eine Flanschkontaktoberfläche einer
dampfgekühlten Gasturbine,
bei welcher die Dichtungsstruktur aus einer Mehrzahl von labyrinthartigen Nuten
in zumindest einer der Flanschkontaktflächen der Gasturbine ausgeformt
ist, der Flächenbereich
des wechselseitigen physikalischen Kontakts zwischen den Flanschkontaktoberflächen reduziert
werden und so ein höherer
Oberflächenkontaktdruck
sichergestellt werden für
eine Klemmkraft, die aufgebracht wird zum Zusammenfügen der
Flanschoberflächen,
wodurch eine signifikant verbesserte Abdichtbarkeit für die Gasturbine
sichergestellt werden kann zusammen mit dem Labyrintheffekt, der
durch die labyrinthartigen ungleichmäßigen Nuten erzeugt wird. So
kann eine Gasturbine mit einer großen Betriebsverlässlichkeit
geschaffen werden, die die praktische Anwendung des Dampfkühlsystems
erleichtert.
-
Gemäß der Erfindung in Anspruch
2 ist die Dichtungsstruktur für
eine Flanschkontaktoberfläche einer
Gasturbine zwischen benachbarten Rotorscheiben implementiert, zwischen
welchen der Dampfdurchflusskanal ausgeformt ist. Da die Kontaktoberflächen der
benachbarten Rotorscheiben über
einen relativ großen
Flächenbereich
hinweg in Kontakt miteinander gebracht sind, tritt eine Leckage des
Kühldampfes
mit einer größeren Wahrscheinlichkeit
auf als bei anderen Bereichen der Gasturbine. Selbst die leckageanfälligen Kontaktflächen zwischen
diesen Rotorscheiben können
so kompensiert werden, wodurch die Abdichtbarkeit der Gasturbine insgesamt
verbessert werden kann und ihre Betriebsverlässlichkeit signifikant gesteigert
werden kann.
-
Mit der Dichtungsstruktur für eine Flanschkontaktoberfläche einer
Gasturbine gemäß der Erfindung,
wie sie in Anspruch 3 beschrieben ist, sind außerdem mehrere labyrinthartige
Nuten in einem im wesentlichen konzentrischen kreisförmigen Muster ausgeformt.
So kann ein sogenannter Labyrintheffekt erzeugt werden, aufgrund
der ungleichmäßigen Nuten
in jedem Querschnitt in radialer Richtung, wodurch die Leckage des
Kühldampfes
bei den Flanschkontaktflächen
oder der Flanschkontaktfläche
mit den Nuten ausreichend und gleichmäßig in Umfangsrichtung unterdrückt werden
kann. Demzufolge kann die Verlässlichkeit
dieser Art von, Dampfturbine spürbar
verbessert werden.
-
In der eben erfolgten Beschreibung
ist die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Ausführungsformen beschrieben worden.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen
beschränkt.
Selbstverständlich
können
verschiedene Veränderungen
und Modifikationen an dem konkreten Aufbau oder der konkreten Anordnung
durchgeführt
werden, ohne dass der Bereich der Erfindung verlassen wird, wie
er durch die Ansprüche
definiert ist.