-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Diese Erfindung bezieht sich auf
eine Gasturbine und insbesondere auf den Aufbau eines Läufers zum
Kühlen
der Laufschaufeln mit Dampf.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Ein typisches Kühlsystem einer herkömmlichen
Gasturbine ist in 4 schematisch
dargestellt. Die Gasturbine umfasst einen Luftverdichter 1,
einen Verbrennungsabschnitt 3 und einen Turbinenabschnitt
als Hauptkomponenten. Zwischenstufenanzapfungen 7a, 7b, 7c von
dem Luftverdichter 1 und ein Teil der Luft aus dem Verdichterauslass 9 werden zu
stationären
Schaufeln der Turbine 5 geleitet, um diese zu kühlen. Zusätzlich wird
ein Teil der Auslassluft aus dem Luftverdichter 1 zu den
Schaufelfüße 13 der
Laufschaufeln der Turbine 5 als eine Verbrennungsgehäuseanzapfung
geführt,
wodurch die Laufschaufeln 15 gekühlt werden. In 5 ist ein herkömmlicher Aufbau zum Kühlen der
Laufschaufeln 15 dargestellt. In 5 weist ein Turbinenläufer Turbinenscheiben 17a, 17b, 17c, 17d auf,
die in Reihe entlang der Läuferachse
in eingerücktem
Eingriff zwischen Kupplungszähnen
auf ihren zugewandten Oberflächen
angeordnet sind und durch welche sich Spindelbolzen 19 erstrecken,
und die Laufschaufeln 15a, 15b, 15c, 15d sind
auf dem äußeren Umfang der
Turbinenscheiben 17a, 17b, 17c angeordnet.
Die Verbrennungsgehäuseentnahmeluft 11 zum
Kühlen, die
durch eine Öffnung 21 in
den Turbinenläufer strömt, strömt in einer
axialen Richtung durch Axialbohrungen 23a–23c in
die Turbinenscheiben 17a–17c und erreicht
die Schaufelfußabschnitte 13a–13d durch
radiale Bohrungen. Die Entnahmeluft oder verdichtete Luft, die in
inneren Kühllöchern in den
sich drehenden Schaufeln 15a, 15d durch die Schaufelfußabschnitte 13a–13d strömt, kühlt die Laufschaufeln 15a–15d von
innen und wird letztlich in den Hauptstrom des Verbrennungsgases
ausgeblasen.
-
Obwohl die Technologie des Kühlens eines Turbinenabschnitts
mit derartiger zuvor erwähnter Entnahmeluft
von dem Verdichter bereits angemessene Effekte bereitgestellt hat,
ist hinsichtlich der Notwendigkeit, die Ausgabe der Gasturbine zu
erhöhen
und ihren Wirkungsgrad zu verbessern, noch kein Ende in Sicht und
es wurde daher vorgeschlagen, die Einlasstemperatur des Verbrennungsgases der
Gasturbine zu erhöhen,
um diesen Erfordernissen nachzukommen. Bei diesem Vorschlag ist
es extrem schwierig, die Temperatur der Turbinenlaufschaufeln durch
ihr Kühlen
mit herkömmlicher
verdichteter Luft unterhalb eines akzeptablen Werts zu halten und
folglich wurde vorgeschlagen, Dampf als Kühlmedium zu verwenden. Es ist
jedoch nicht zulässig,
Dampf in ein Arbeitsgas einzuströmen,
wie es das in der herkömmlichen
Technik mit der komprimierten Luft ist.
-
US
5,695,319 , welche aus der Familie der CN 1133936 A stammt,
offenbart eine dampfgekühlte Gasturbine
mit einem Kühlsystem,
umfassend eine Mittellinienbohrung, die sich durch die Scheiben
erstreckt und entweder als Dampfversorgungs- oder Dampfrückgewinnungsdurchgang
verwende t. wird und einem Führungsrohr,
das einem axialen Durchgang, der von der Mittellinienbohrung beabstandet angeordnet
ist und sich durch eine Flanschwelle der Turbine zu den Scheiben
erstreckt, Dampf zuführt oder
von diesem Durchgang Dampf rückgewinnt.
-
JP 07189739 A , GB 1,194,663 und
JP 19167029 C1 offenbaren
alle unterschiedliche Arten von Gasturbinen mit unterschiedlichen
Arten von Kühlsystemen
für die
Laufschaufeln.
-
Auf Grundlage des Vorstehenden ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbinenlaufschaufel
zur Dampfkühlung
bereitzustellen, die einen Aufbau hat, der geeignet ist, um die
Laufschaufeln mit Dampf zu kühlen.
-
OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
-
Mit dem Zweck, das vorstehende Problem
zu lösen,
umfasst gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Dampfzirkulations-Strömungsdurchgang zum Kühlen der
Laufschaufeln bei einer Gasturbinenlaufschaufel, die aus wenigstens
zwei Turbinenlaufscheiben zusammengesetzt ist, die eine nach der
anderen entlang einer Längsachse
angeordnet sind und mit Spindelbolzen, die sich hindurch sie durch
erstrecken, aneinander befestigt sind, eine Mittellinienbohrung,
die sich in der Mitte des Läufers
erstreckt und an einem axialen Ende des Rotors offen ist, ein Dampf-Einlass-Auslass-Rohr,
das in der Mittellinienbohrung koaxial angeordnet ist, um so zwischen
einer inneren Umfangsfläche
der Bohrung und dem Rohr einen ringförmigen Durchgang für Kühldampf zu
definieren, einen ersten Dampfraum, der zwischen einander zugewandten
Seitenflächen
der Turbinenlaufschaufeln definiert ist und mit dem Dampf-Einlass-Auslass-Rohr
in Verbindung steht, einen zweiten Dampfraum und einen dritten Dampfraum,
die jeweils auf entgegengesetzten Seitenflächen der Turbinenlaufscheiben
definiert sind und mit dem ringförmigen
Durchgang in Verbindung stehen, ein axiales Dampfloch, das sich
axial von der Mittellinie der Turbinenlaufscheiben beabstandet durch
die Turbinenlaufscheiben erstreckt und ein Trennrohr umfasst, das
sich durch den ersten Dampfraum erstreckt, um so mit dem zweiten
und dem dritten Dampfraum in Verbindung zu stehen, und radiale Dampflöcher, die
sich jeweils von dem ersten, zweiten und dritten Dampfraum in Richtung
zu den Befestigungsabschnitten der Laufschaufeln erstrecken. Obwohl
es bevorzugt ist, dass der ringförmige
Durchgang als ein Einlassdurchgang für den Kühldampf ausgebildet ist und
das Innere des Dampf-Einlass-Auslass-Rohrs als Rückführdurchgang für den Kühldampf
ausgebildet ist, ist es auch zulässig,
den ringförmigen
Durchgang als den Rückführdurchgang für den Kühldampf
und das Innere des Dampf-Einlass-Auslass-Rohrs als den Speisedurchgang
für den Kühldampf
auszubilden.
-
Obwohl das axiale Dampfloch unabhängig in der
Turbinenlaufscheibe ausgebildet sein kann, kann darüber hinaus
ein Durchgangsloch für
einen Spindelbolzen, der sich durch die Turbinenlaufscheiben erstreckt,
um sie so integral zu verbinden, als das axiale Dampfloch verwendet
werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein vertikaler Querschnitt, der eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
2 ist
ein bruchstückhafter
Querschnitt entlang der Linie II-II in 1;
-
3 ist
ein bruchstückhafter
Querschnitt, der eine modifizierte Ausführungsform zeigt, wobei ein
Abschnitt der vorstehenden Ausführungsform
geändert
ist;
-
4 ist
ein schematisches Kühlsystem
für eine
herkömmliche
Gasturbine; und
-
5 ist
ein bruchstückhafter
Längsschnitt einer
herkömmlichen
Gasturbine.
-
BESTE ART
ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben. In bezug auf 1 und 2 ist ein Turbinenläufer 30 an
seinem linken (in den folgenden Zeichnungen in einer ähnlichen
Art ausgedrückt)
Ende, das hier nicht dargestellt ist, mit einer Läuferwelle
eines Verdichters verbunden und umfasst Turbinenlaufscheiben 41, 43, 45, 47,
die in einer axialen Reihe integral kombiniert sind und auf denen
mehrere Laufschaufeln 31 der ersten Stufe, Laufschaufeln 33 der
zweiten Stufe, Laufschaufeln 35 der dritten Stufe und Laufschaufeln 37 der
vierten Stufe separat in Reihen über
dem Umfang angebracht sind. Die Turbinenlaufscheibe 47 umfasst
eine integral ausgebildete Wellenhalterungserstreckung 49,
die wiederum durch ein Gehäuse 53 über ein
Lager 51 drehbar gehaltert ist. Die Wellenhalterungserstreckung 49 ist
ferner an ihrem rechten Ende mit einer Dichtungshülse 55 verbunden,
die von einem Dichtungsgehäuse 57 umgeben
ist, um dadurch einen Einlasssammelraum 59 für Kühldampf zu
definieren. Die Turbinenlaufscheiben weisen jeweils Eingriffsvorsprünge 41a, 43a, 45a an
ihrer rechten Seitenfläche
auf, die mit Kupplungszähnen
an ihren äußersten
Enden versehen sind, während
die Turbinenlaufscheiben 43, 45, 47 jeweils
Eingriffsvorsprünge 43b, 45b, 47b an
ihren linken Seitenflächen aufweisen,
die Kupplungszähne
an ihren äußersten Enden
haben, so dass diese Eingriffsvorsprünge 41a, 43a, 45a und 43b, 45b, 47b miteinander
in Eingriff kommen, um einen Relativversatz in Umfangsrichtung zu
verhindern. Darüber
hinaus sind Spindelbolzen 69 durch mehrere axiale Bohrungen 61, 63, 65, 67 angeordnet,
die durch die Turbinenlaufscheiben 41, 43, 45, 47 gebohrt
wurden, um sie so zu befestigen. Die Beziehung der Anordnung zwischen den
Axiallöchern 63 und
dem Spindelbolzen 69 ist in 2 ersichtlich
und die der anderen Bohrungen 61, 65, 67 ist ähnlich zu
der der Bohrungen 63.
-
Als nächstes wird der Aufbau eines
Kühldampf-Zirkulationsdurchgangs
beschrieben. Mittellinienbohrungen 71, 73, 75, 77,
die sich in der Axialrichtung erstrecken, sind in Mittelabschnitten
jeder der Turbinenlaufscheiben 41, 43, 45, 47 angeordnet. Wie
es aus den Zeichnungen ersichtlich ist, ist der Durchmesser der
Mittelbohrung 71 der kleinste, der der Mittelbohrung 73 ist
größer und
der der Mittelbohrungen 75, 77 ist ungefähr gleich
und der größte. In den
Mittelbohrungen 73, 75, 77 der Turbinenlaufscheiben 43, 45, 47 ist
ein Dampf-Einlass-Auslassrohr 77 angeordnet, das sich von
der Position des Dichtungsgehäuses 57 erstreckt
und koaxial angeordnet ist, um so einen ringförmigen Durchgang 81 zu
definieren, der außerhalb
des Rohrs mit dem Einlasssammelraum 59 in Verbindung steht.
Darüber
hinaus ist die Mittelbohrung 71 in der Turbinenlaufscheibe 41 durch
eine scheibenförmige
Abdeckung 83 abgedeckt, um so einen Spalt (vergrößert dargestellt)
zwischen der rechten Seitenfläche
der Scheibe 41 und der Abdeckung 83 frei zu lassen.
In einer ähnlichen
Art stützt
eine ringförmige
Abdeckung 85, die einen Spalt (vergrößert dargestellt) zwischen
der linken Seitenfläche
der Turbinenlaufscheibe 43 und sich selbst frei lässt, das
Einlass-Auslassrohr 79 an seinem linken Ende. Diese Abdeckungen 83, 85 sind mit
einer Verbindungsplatte 87, die sich in einer radialen
Richtung erstreckt, verbunden (siehe insbesondere 2).
-
Auf jeder der zugewandten Seitenflächen der
Turbinenlaufscheiben 41, 43 sind darüber hinaus vorragende
Dichtringe 41c, 43d in der Nähe eines äußeren Umfangsendes davon ausgebildet,
um so einen Dampfraum 89a zu definieren, der an einer inneren
Seite der Eingriffsvorsprünge 41a, 43b mit
einem inneren Dampfraum 89b in Verbindung steht. An den
Eingriffsabschnitten der Kupplungszähne sind radiale Spalte definiert,
die sich im allgemeinen in einer radialen Richtung erstrecken und
abhängig
vom Fall kann ein Verbindungsloch insbesondere durch den Eingriffsvorsprung 41a und/oder
den Eingriffsvorsprung 43b vorgesehen sein. In einer ähnlichen Art
sind jeweils die Dampfräume 91a, 91b, 93a, 93b zwischen
den Turbinenlaufscheiben 43 und 45 bzw. der Turbinenlaufscheiben 45 und 47 definiert.
Die Dampfräume 91b, 93b stehen
jeweils mit dem ringförmigen
Durchgang 81 in Verbindung, während die Dampfräume 91a, 93b über einen
axialen Durchgang 95 in der Turbinenlaufscheibe 45 miteinander
in Verbindung stehen und ferner steht der Dampfraum 91a über den
radialen Durchgang 97 in der Turbinenlaufscheibe 43 mit
einer Dampföffnung
an dem Fuß der Laufschaufel 33 in
Verbindung.
-
Da die axialen Bohrungen 61, 63, 65,
die zuvor beschrieben wurden, jeweils einen inneren Durchmesser
aufweisen, der größer als
der äußere Durchmesser
des Spindelbolzens 69 ist, sind darüber hinaus axiale Durchgänge 61a, 63a, 65a für Dampf
definiert und die axialen Durchgänge 61, 63a sind über ein
Trennrohr 99, das sich durch den Dampfraum 89b erstreckt,
miteinander verbunden. Der axiale Durchgang 61a ist über den
Dampfraum 101 auf der linken Seite der Turbinenlaufscheibe 41 und
die radialen Durchgänge 103, 103b in
der Turbinenlaufscheibe 41 mit einer Dampföffnung am
Fuß der
Laufschaufel 31 verbunden.
-
Auf der anderen Seite steht der Dampfraum 39a über den
radialen Durchgang 105 in der Turbinenlaufscheibe 41 bzw.
den radialen Durchgang 107 in der Turbinenlaufscheibe 43 mit
den Dampföffnungen
an den Füßen der
Laufschaufeln 31, 33 in Verbindung.
-
Bei einem derartigen Aufbau strömt Kühldampf,
wie durch die Pfeile dargestellt, von dem Einlasssammelraum 59 in
den ringförmigen
Durchgang 81 in die Dampfräume 91b, 93b.
Dampf, der in den Dampfraum 93b eingeströmt ist,
wird in zwei Strömungen
aufgeteilt und eine Strömung
tritt durch den axialen Durchgang 65a in den Dampfraum 91b ein, während die
andere durch den Dampfraum 93a und den axialen Durchgang 95 in
den Dampfraum 91a eintritt. Auch Dampf in dem Dampfraum 91b strömt in zwei
getrennte Richtungen, wie es durch die Pfeile dargestellt ist. Eine
Strömung
tritt in den Dampfraum 91a ein und trifft eine Dampfströmung aus
dem Dampfraum 93a. Dieser kombinierte Dampf strömt durch
den radialen Durchgang 97 in einen Fußabschnitt der Laufschaufeln 33 und
strömt
dann in einen Kühldurchgang
(nicht dargestellt) in der Laufschaufel 33, wodurch der
Dampf die Laufschaufel 33 kühlt. Der Dampf, der die Kühlfunktion
beendet hat und eine erhöhte
Temperatur aufweist, tritt dann durch den radialen Durchgang 107 in
den Dampfraum 89a ein. Die andere Strömung strömt sukzessive durch den axialen
Durchgang 63a, das Trennrohr 99 und den radialen
Durchgang 61a in den Dampfraum 101 und strömt ferner
durch die radialen Durchgänge 103a, 103b und
erreicht den Fußabschnitt
der Laufschaufel 31. Dann strömt der Dampf durch einen Kühldurchgang
(nicht dargestellt) in der Laufschaufel 31, wodurch der
Dampf die Laufschaufel 31 kühlt. Der Dampf, der die Kühlfunktion
beendet hat und eine erhöhte
Temperatur aufweist, tritt durch den radialen Durchgang 105 in
den Dampfraum 89a ein.
-
Der Dampf, der folglich somit das
Kühlen
der Schaufeln 31, 33 beendet hat und dem Dampfraum 89a zurückgeführt wurde,
strömt
durch den Dampfraum 89b, zwischen den Abdeckungen 85, 83 hindurch
und letztlich durch das Innere des Dampf-Einlass-Auslass-Rohrs 79 aus
der Turbine. Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, arbeiten
die Dampfräume 89a, 89b,
das Dampf-Einlass-Auslass-Rohr 79, etc., als Kühldampfausgabekanal
in der vorliegenden Ausführungsform.
Zusätzlich
kann eine geringe Menge des Kühldampfes
auch in die Mittelbohrungen 71, 73 strömen und
durch die Spalte auf der anderen Seite der Abdeckungen 83, 85,
wodurch die Turbinenlaufscheiben 41, 43 vor der
hohen Temperatur des Ausgabedampfes geschützt werden.
-
Obwohl in der oben beschriebenen
Ausführungsform
der ringförmige
Durchgang 81 als ein Kühldampfspeiserohr
verwendet ist und das Innere des Dampf-Einlass-Auslass-Rohrs 79 als
ein Kühldampfausgaberohr,
besteht eine Option darin, die Strömung des Dampfes in der umgekehrten
Richtung, wie es in 3 dargestellt
ist, auszugestalten. In einem derartigen Fall werden das Innere
des Dampf-Einlass-Auslass-Rohrs 79 und die Dampfräume 89a, 89b,
etc., die damit in Verbindung stehen, zum Kühldampfspeisekanal, während der
ringförmige
Durchgang 81 und die Dampfräume 91a, 91b, 93a, 93b, 101,
etc., die damit in Verbindung stehen, zum Ausgabekanal werden. In 3 sind Abschnitte oder Elemente,
die die gleichen wie in 1 sind,
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und eine Abdeckung 183 ist
auf einer rechten Seitenfläche
der Turbinenlaufscheibe 43 angeordnet und Abdeckungen 185 sind
auf entgegengesetzten Seitenflächen
der Turbinenlaufscheiben 45 und einer linken Seitenfläche der
Turbinenlaufscheibe 47 angeordnet. Die Abdeckungen 183, 185 sind
in einem Zustand ähnlich
dem der Abdeckungen 83, 85, die zuvor beschrieben
wurden, befestigt. Ferner ist der Fachmann in der Lage, den Aufbau,
die Funktionsweise und die Vorteile dieser modifizierten Ausführungsform
angesichts der vorstehenden Beschreibung ohne spezielle Beschreibung
leicht zu verstehen, weil sich die Wirkungsweise nicht ändert, außer dass die
Strömungsrichtung
des Kühldampfes
entgegengesetzt der in der vorstehenden Ausführungsform in 1 ist.
-
INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
-
Wie es oben beschrieben wurde, sind
gemäß der vorliegenden
Erfindung durch Anordnen eines Dampf-Einlass-Auslass-Rohrs in Mittelbohrungen der
Turbinenlaufscheiben zwei Durchgänge
koaxial definiert, wodurch ein Speise- und Ausgabekanal für Dampf
definiert ist. Da ein zwischen benachbarten Turbinenlaufscheiben
definierter Raum in einen Speise- und Ausgabedurchgang für den Dampf
unterteilt ist, kann der Ausgabedurchgang für den Kühldampf gesichert werden, wodurch
eine Gasturbine ausreichend gekühlt
wird. Somit können
erhöhte
Temperaturen des Einlassgases zugelassen werden, was zu einer Gasturbine
mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit führt.