DE69829892T2

DE69829892T2 - Gasturbine mit Rückführung des Kühlmediums

Info

Publication number: DE69829892T2
Application number: DE69829892T
Authority: DE
Inventors: Manabu Higashiibaraki-gun Matsumoto; Shinya Hitachinaka-shi Marushima; Takashi Hitachi-Shi Ikeguchi; Kazuhiko Hitachinaka-shi Kawaike
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2018-10-17
Also published as: EP1428984A3; DE69829892D1; EP1428984B1; EP0909878B1; DE69820952T2; EP1329590A3; US6185924B1; EP1329590A2; DE69820952D1; EP1329590B1; EP0909878B9; DE69833811T2; EP0909878A3; EP0909878A2; DE69833811D1; EP1428984A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine mit Laufschaufeln, die mit einem Kühlmittel gekühlt werden, und insbesondere eine Gasturbine mit Kühlmittelsammlung, die zum Kühlen der Laufschaufeln im Inneren des Gasturbinenrotors mit Strömungswegen versehen und so hergestellt ist, dass nach dem Kühlen der Laufschaufeln das Kühlmittel gesammelt wird.
Laufschaufeln einer Gasturbine werden üblicherweise mit Luft gekühlt, die durch das Innere eines Rotors zugeführt wird, um sie vor Hochtemperatur-Verbrennungsgas zu schützen, das in einem Verbrennungsgasweg strömt (im Folgenden als Gasweg bezeichnet). Üblicherweise wird ein Teil der verdichteten Luft für die Verbrennung als Luftquelle verwendet und nach dem Kühlen in den Gasweg abgeführt.
Bei Gasturbinen ist der Wirkungsgrad umso höher, je höher die Verbrennungsgastemperatur ist. Da die thermische Belastung steigt, wenn die Verbrennungsgastemperatur erhöht wird, erhöht sich zwangsläufig der Durchsatz der Kühlluft. Ein Abführen der Kühlluft in den Gasweg verringert nicht nur die Temperatur des Verbrennungsgases, sondern stört die Strömung in dem Gasweg und verringert die Ausgangsleistung der Turbine. Außerdem hat ein Kühlmittel, das in einem Zirkulations-Strömungsweg in dem Rotor strömt, eine Rotationsenergie, die proportional zum Quadrat des Radius ist, jedoch verursacht das Abführen des Kühlmittels aus den Laufschaufeln, die am Außenumfang des Rotors angebracht sind, einen starken Pumpleistungsverlust, und der Verlust verstärkt sich proportional zum Durchsatz des Kühlmittels. Deshalb kann keine wirksame Verbesserung des Wirkungsgrads erwartet werden, wenn nur die Temperatur des Verbrennungsgases erhöht wird.
Um die Leistung weiter zu steigern, ist es erforderlich, die Luft zu sammeln, die zum Kühlen der Laufschaufeln zugeführt wird, um die oben genannten Probleme zu lösen.
Deshalb wird z.B. bei einer Gasturbine, die in der JP A 54-13809 offenbart ist, ein Verfahren zum Ausbilden einer Bahn zum Zuführen und Sammeln eines Kühlmittels mit Rohren im Inneren des Rotors vorgeschlagen, und bei einer Gasturbine, die in der JP A 3- 275946 offenbart ist, wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Bahn zum Zuführen und Sammeln eines Kühlmittels durch Perforieren des Inneren des Rotors vorgeschlagen.
Weiterhin ist bei der Gasturbine, die in der JP A 7-189739 offenbart ist, ein axialer Sammelströmungsweg an einem Stapelverbindungsabschnitt eines Turbinenrotors ausgebildet, und er ist so gebildet, dass die Luft nach dem Kühlen der Schaufeln durch den Sammelströmungsweg in der Brennkammer gesammelt wird.
Für den Aufbau einer Gasturbine mit Kühlmittelsammlung ist es notwendig, im Inneren eines Turbinenrotors einen Zufuhrströmungsweg zur Zufuhr eines Kühlmittels für die Laufschaufeln sowie einen Sammelströmungsweg zum Sammeln des Kühlmittels nach dem Kühlen auszubilden. Da jedoch das Kühlen der Laufschaufeln die Temperatur des dafür verwendeten Kühlmittels erhöht, treten aufgrund des Unterschieds bei der Kühlmitteltemperatur Wärmespannungen in den Rotorbauteilen auf, die sowohl den Zufuhrströmungsweg als auch dem Sammelströmungsweg aufweisen.
Bei der Gasturbine der Klasse mit einer Verbrennungsgastemperatur von 1.500°C können je nach Aufbau eines Strömungswegs äußerst große Wärmespannungen über einen zulässigen Wert hinaus auftreten, da die Temperatur eines Kühlmittels auf etwa 200 bis 250°C bei Luftkühlung und auf etwa 150 bis 200°C bei Dampfkühlung steigt. Deshalb ist es, um durch Erhöhung der Verbrennungsgastemperatur eine Kühlmittelsammel-Gasturbine mit hohem Wirkungsgrad zu verwirklichen, ein großes Ziel, einen Kühlmittelzufuhrströmungsweg und einen Kühlmittelsammelströmungsweg im Inneren des Rotors auszubilden, um die Wärmespannungen zu verringern.
Bei der Gasturbine mit geschlossener Kühlung, die in der JP A 7-189739 oder der JP-A 9-13902 offenbart sind, sind ein Zufuhrströmungsweg und ein Sammelströmungsweg zum Kühlen der Schaufeln im Inneren eines Rotors gemischt vorhanden, wobei der Sammelströmungsweg mit einem wärmeisolierten Rohr versehen ist, so dass aufgrund der oben erwähnten Temperaturerhöhung des Kühlmittels eine Wärmespannung in Bauteilen des Rotors auftritt.
Die Wärmespannung wird von dem Aufbau eines Rotors und eines Strömungswegs beeinflusst, und die Wärmespannung kann auch durch Maßnahmen für eine thermische Abschirmung verringert werden. Da der Rotor jedoch ein drehender Körper ist, der mit hoher Geschwindigkeit rotiert, ist dessen Aufbau bezüglich seiner Festigkeit stark eingeschränkt. Obwohl es, einschließlich der Maßnahmen zur thermischen Abschirmung, relativ leicht mög lich ist, einen Strömungsweg an einem Stapelverbindungsabschnitt auszubilden, führt der Strömungsweg-Aufbau zu vielen Problemen, z.B. dass Abzweigungen und Zusammenführungen nötig sind, um Verbindungs-Strömungswege zwischen dem Strömungsweg und den Schaufeln an einem Außenumfang auszubilden, weil viele Schaufeln verbunden sind, und dass die Spannung zu einer Zunahme neigt, wenn der Strömungsweg perforiert wird, weil die Scheibe eine geringe Dicke an der Außenumfangsseite hat, und dass weiterhin, aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen den Seitenflächen der Scheibe eine große Wärmespannung entsteht, wenn ein Gegenstrom zwischen der Kühlmittelzufuhr und der Kühlmittelsammlung an beiden Seitenflächen der Scheibe bewirkt wird.
Weiterhin ist eine Zufuhrtemperatur des Kühlmittels von etwa 250°C im Hinblick auf den Betrieb des Gasturbinensystems effektiv, wobei in diesem Fall eine Sammeltemperatur 400 bis 500°C beträgt. Dadurch steigt die Temperatur einiger Abschnitte über eine zulässige Temperatur eines üblicherweise verwendeten Turbinenrotormaterials hinaus an, so dass es nötig ist, ein Material mit hoher Hitzebeständigkeit und hohen Kosten zu verwenden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise, die in der Lage ist, die Wärmespannung eines Rotorteils, die durch Sammeln eines Kühlmittels für Laufschaufeln verursacht wird, ausreichend zu reduzieren und das Kühlmittel mit einem hohen Wirkungsgrad zu sammeln.
Um die obigen Ziele zu erreichen, zeichnet sich eine Gasturbine nach der vorliegenden Erfindung dadurch aus, dass ein Kühlmittelzufuhrströmungsweg zum Zuführen eines Kühlmittels zum Kühlen der Laufschaufeln und ein Kühlmittelsammelströmungsweg zum Sammeln des Kühlmittels nach dem Kühlen der Laufschaufeln innerhalb eines Turbinenrotors vorgesehen ist, wobei ein Wärmeabschirmsammler und der Kühlmittelzufuhrströmungsweg oder der Kühlmittelsammelströmungsweg durch wenigstens einen Verbindungsweg verbunden sind, dass Verbindungsrohre zwischen dem Wärmeabschirmsammler und den Laufschaufeln vorgesehen sind und dass das Kühlmittel durch den Wärmeabschirmsammler und die Verbindungsleitungen den Laufschaufeln zugeführt und aus diesen gesammelt wird.
Weiterhin ist die Gasturbine so gebaut, dass ein ringförmiger Vorsprung, der konzentrisch zum Turbinenrotor an einer äußeren Umfangswand des vorstehend erwähnten Wärmeabschirmsammlers angeordnet ist, und ein ringförmiger konkaver Teil, der mit dem vorstehend erwähnten Vorsprung in Eingriff steht, vorgesehen ist. Der vorstehend erwähnte Wärmeabschirmsammler ist so ausgebildet, dass er in Umfangsrichtung in eine Vielzahl von Sektoren unterteilt werden kann. Ferner ist das Rohr, das den vorstehend erwähnten Ver bindungsweg bildet, ein Teil, das sich von dem Hauptgehäuse des Wärmeabschirmsammlers unterscheidet oder von ihm getrennt ist, während der Verbindungsabschnitt zwischen dem Hauptkörper des Wärmeabschirmsammlers und des den Verbindungsweg bildenden Rohrs als Gleitsitz ausgebildet ist.
Die Gasturbine hat weiterhin eine Verbrennungsgas erzeugende Brennkammer, eine Vielzahl von Laufschaufeln, die in einem Strömungsweg angeordnet sind, in dem ein Verbrennungsgas strömt, eine die Laufschaufeln tragende Scheibe, ein Abstandsstück, dessen eines Ende mit der Scheibe und dessen anderes Ende mit einem Kompressor verbunden ist, der Verbrennungsluft verdichtet, sowie einen an jenem Verbindungsabschnitt vorgesehenen Kühlmittelsammelströmungsweg zum Sammeln eines Kühlmittels nach dem Kühlen der Laufschaufeln, wobei die Turbine so hergestellt ist, dass sie ein Distanzelement bereitstellt, das zwischen dem Abstandsstück und der Scheibe angeordnet ist, am Verbindungsstück zwischen dem Distanzelement und dem Abstandsstück ein Strömungsweg gebildet wird, der sich radial erstreckt und ein an der Umfangswand vorgesehenes Wärmeabschirmelement aufweist, und das Kühlmittel nach den Laufschaufeln in die Brennkammer durch den Strömungsweg gesammelt wird. Weiterhin sind Dichtungseinrichtungen an jedem äußeren Umfangsende des Abstandsstücks und des Distanzelements vorgesehen und sind ein zentrales Loch an einem radial zentralen Abschnitt des Abstandsstücks sowie ein durchgehendes Verbindungsloch zwischen den Dichtungsvorrichtungen am Außenumfangsteil aus dem zentralen Loch ausgebildet.
D.h., dass bei der so gebauten Gasturbine der Wärmeabschirmsammler durch den Kühlmittelsammelströmungsweg und den Verbindungsweg verbunden ist und mit den Laufschaufeln durch die Verbindungsrohre verbunden ist, die in gleicher Anzahl wie die Anzahl der Laufschaufeln zwischen dem Kühlmittelsammelströmungsweg (oder Kühlmittelzufuhrströmungsweg) und den Laufschaufeln verbunden sind, wobei das Kühlmittel aus jeder der Laufschaufeln durch den Wärmeabschirmsammler und die Verbindungsrohre gesammelt wird, wodurch viele der Laufschaufeln, d.h. eine Laufschaufelgruppe, die viele Kühlmitteleinführauslässe hat, und die Kühlmittelwege innerhalb des Rotors glatt verbunden werden. Die von den Strömungswegen zu der Scheibe geleitete Wärmemenge wird durch den Wärmewiderstand einer Luftschicht verringert, die zwischen der Scheibe und dem Wärmeabschirmsammler gebildet wird, wobei die Wärmespannung stark reduziert wird und die Wärmespannung am Rotorabschnitt, die durch Sammeln von Kühlmittel für die Laufschaufeln verursacht wird, ausreichend verringert werden kann.
Da ferner das Distanzelement zwischen das Abstandsstück und die Scheibe eingesetzt ist, wird der Strömungsweg, der sich in Radialrichtung erstreckt und mit dem Wärmeabschirmelement in der Umfangswand versehen ist, in dem Verbindungsabschnitt zwischen dem Distanzelement und dem Abstandsstück gebildet, während das Kühlmittel nach dem Kühlen in die Brennkammer durch den Strömungsweg gesammelt wird, ein Teil des zu den Laufschaufeln zugeführten Kühlmittels zum Außenumfang des Abstandsstücks geführt wird, das Abstandsstück und das Rotorelement um das Abstandsstück herum gekühlt werden, das Rotorelement auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden kann und Wärmespannungen ausreichend reduziert werden können, die in dem Rotorelement durch Sammeln des Kühlmittels für die Laufschaufeln verursacht werden.
1 ist eine vertikale Schnittansicht einer Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung,
2 ist ein Schnitt längs der Linie X-X von 1,
3 ist eine vergrößerte Ansicht längs der Linie Y-Y von 1,
4 ist eine Ansicht eines für die Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise nach der vorliegenden Ausgestaltung verwendeten Sammlers,
5 ist eine Ansicht längs der Linie W-W von 4,
6 ist eine vertikale Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung,
7 ist eine Teilschnittansicht längs der Linie U-U von 6,
8 ist eine vertikale Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
9 ist eine Schnittansicht längs der Linie V-V von 8.
Unter Bezug auf 1 wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
1 zeigt einen Schnitt einer oberen Hälfte der Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise. Die in 1 gezeigte Gasturbine ist ein Beispiel einer Gasturbine in Luftkühlbauweise, wobei Luft als Kühlmittel verwendet wird.
Die Gasturbine hat ein Gehäuse 110, die den Umfang abdeckt, einen Kompressor 120 und eine Brennkammer 130, die innerhalb der Abdeckung angeordnet sind, eine Turbine 150 mit Düsen 112, Laufschaufeln 140, einem Turbinenrotor 160 usw., Lager 111, die den Turbinenrotor drehbar lagern, sowie eine Auslassleitung 113.
An dem Außenumfang des Turbinenrotors 160 ist an vorgegebenen Umfangsintervallen eine Vielzahl der Laufschaufeln 140 angeordnet, und innerhalb jeder der Laufschaufeln (erste bis dritte Stufe) sind Kühlmittelströme 141 mit unterschiedlicher Form so ausgebildet, dass das Grundmaterial der Laufschaufeln in der Lage ist, eine thermische Belastung des Verbrennungsgases auszuhalten, das in dem Gasweg 132 strömt.
Der Turbinenrotor 160 hat einen Aufbau, bei welchem durch vier Bolzen vier Scheiben 161a bis 161d, drei Distanzelemente 162b bis 162d und eine Welle 163 an einem Stapelverbindungsabschnitt (nachstehend als Nabe bezeichnet) befestigt und mit dem Verdichter 120 durch ein Abstandsstück 151 und ein Distanzelement 162a verbunden sind.
In der Welle 163, die von dem Lagerabschnitt, den Turbinenrotorscheiben 161a bis 161d mit den darauf gesetzten Laufschaufeln 140, dem Abstandsstück 151 bzw. den Scheiben 121 auf einer Hochstufenseite des Kompressorrotors gehalten wird, sind zentrale Löcher 164, 152, 122 vorgesehen.
In dem Nabenabschnitt des Turbinenrotors ist ein Sammelströmungsweg 171 ausgebildet, der sich axial von dem Distanzelement 162a zu dem Distanzelement 162b erstreckt und in den ein Wärmeabschirmungsrohr 172 eingesetzt ist. Ferner sind jeweils Schlitze 173a bis 173h so ausgebildet, dass sie sich in der Radialrichtung erstrecken, wobei ein Wärmeabschirmkanal 174 in dem Schlitz 173a zwischen dem Abstandsstück 151 und dem Distanzelement 162a angeordnet ist. In den Schlitzen 173c und 174d sind auf beiden Seiten des Distanzelements 162b weiterhin Wärmeabschirmsammler 175a, 175b angeordnet. Die anderen Schlitze sind nur deshalb ausgebildet, dass das zentrale Rotorloch 164 und Hohlräume 166 auf der radial äußeren Seite miteinander in Verbindung stehen.
An den Außenumfängen beider Enden des Abstandsstücks 151 und des Distanzelements 162a sind Abdichtungen 114a bis 114c vorgesehen. Ein Raum 115a zwischen den Dichtungen 114a und 114b steht mit dem zentralen Loch 152 des Abstandsstücks durch ein Verbindungsloch 116 in Verbindung, während ein Auslass des Sammelströmungswegs 171 in einen Raum 115b zwischen den Abdichtungen 114b und 114c mündet.
In den Nabenverbindungsabschnitt des Kompressorrotors ist ein Schlitz 123 ausgebildet. Die zentrale Seite des Schlitzes steht mit einem radial zentralen Loch 122 über einen Strömungsweg zwischen Seitenwänden der Scheibe 121 in Verbindung, während die äußere Umfangsseite in einen Kompressionsweg durch den Hohlraum an der radial äußeren Seite der Nabe mündet.
2 ist eine Ansicht längs der Linie X-X von 1. In 2 ist eine Vielzahl von Sammelströmungswegen 171 in einer Zwischenphase zwischen am Umfang angeordneten Bolzenlöchern 199 vorgesehen. Die Sammelströmungswege 171 und der Schlitz 173b sind auf der gleichen Phase angeordnet, der Sammelströmungsweg ist jedoch durch das Wärmeabschirmrohr 172 geteilt. Die radial äußere Seite des Hohlraums 166a, zu der die Schlitze münden, steht mit Kühlmitteleinführöffnungen 142 aller Laufschaufeln in Verbindung.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Y-Abschnitts von 5, während 8 einen Abschirmsammler 175 gesehen aus der Z-Richtung von 3 zeigt. 5 ist eine Schnittansicht längs der Linie W-W von 4. Wie aus diesen Figuren zu ersehen ist, ist der Wärmeabschirmsammler 175 aus einer Vielzahl von am Umfang gleich verteilten Sektoren aufgebaut, wobei jeder Sektor aus einem Kanal 176 an der Innendurchmesserseite, einer Kammer 178 am zentralen Abschnitt und Rohrbahnen 179 an der radial äußeren Seite besteht und die Anzahl der Rohrbahnen die Zahl ist, die durch Teilen der Zahl der Laufschaufeln auf der Außendurchmesserseite durch die Teilungszahl erhalten wird.
An dem Endabschnitt des Kanals 176 ist ein Tragring 177 mit einer Öffnung 177a ausgebildet, während eine Aussparung 180 an der Seitenwand des Kanals ausgebildet ist, um den Kontakt zwischen der Scheibe und dem Distanzstück zu minimieren. Eine Strömungsweg-Querschnittsfläche der Kammer 178, die etwa die Hälfte der Strömungsweg-Querschnittsfläche des Kanals 176 ist, reicht aus. Die Anzahl der Rohrbahnen 179 ist die Zahl, die man durch Teilen der Zahl der Laufschaufeln durch die Teilungszahl erhält. Die Seitenwand eines jeden Kanals 176, die Kammer 178 und die Rohrbahn 179 sind dünn ausgeführt, um das Gewicht zu reduzieren, solange die Festigkeit sichergestellt ist.
An der Außenwand der Kammer 178 ist über dem gesamten Umfangsbereich ein Haken 181 ausgebildet. D.h., dass ein ringförmiger Vorsprung 181, der konzentrisch zum Turbinenrotor ist, an der Außenwandfläche vorgesehen ist, während ein ringförmiger konkaver Raum mit dem Vorsprung in Eingriff steht, d.h. auf der Scheibenseite ist eine Nut 182 vorgesehen, und der Haken 181 greift in die Nut 182 ein, wie in 3 gezeigt ist. Außerdem ist der vorstehend erwähnte Tragring 177 so ausgebildet, dass er in das Loch des Sammelströmungswegs 171 passt. Durch diesen Eingriff wird eine auf die Kammer 178 und die Rohrbahnen 179 wirkende zentrifugale Last hauptsächlich von dem Haken 181 abgestützt, während eine zentrifugale Last eines Kanals 176 und des Tragrings von dem Tragring 177 abgestützt wird. Die Positionen in Axial- und Umfangsrichtung sind durch die Schlitze 173 fixiert, und es werden also keine Bolzen für die Fixierung verwendet.
Nach der Montage wird der Wärmeabschirmsammler 175 gekühlt und dann in die Scheibe kalt eingepasst. Gleichzeitig muss jedoch das Einpassen des Hakens 181 und der Nut 182 und das Füllen des Tragrings und des Lochs des Sammelströmungswegs bewirkt werden, so dass eine Innendurchmesserseite der Nut 181, die nicht in Bezug mit der Rotationsabstützung steht, etwas kleiner als die Innendurchmesserseite des Hakens ausgebildet wird und der Haken auch eingepasst werden kann, wenn der Kanal 176 während des Abkühlens schrumpft.
Die Rohrbahnen 179 des Wärmeabschirmsammlers sind mit den Kühlmittelauslassöffnungen 132 an den Laufschaufelfüßen durch Verbindungslöcher 183 verbunden, die in einen Rand am Außenumfang der Scheibe perforiert sind, und in die Verbindungslöcher 183 werden Wärmeabschirmrohre 184 eingesetzt. Der Wärmeabschirmkanal 174, der an dem Verbindungsabschnitt des Abstandsstücks 151 und des Distanzelements 162a vorgesehen ist, hat eine Form, die ähnlich zu der der Kanalseite des oben erwähnten Wärmeabschirmsammlers 175 ist.
Gemäß 3 füllt ein Kühlmittel (Luft), das von dem Ende der Welle 163 des Turbinenrotors 160 durch Anlaufen der Gasturbine zugeführt wird, das zentrale Loch 165 und wird dann in sieben Wege aufgeteilt, wie dies durch Pfeile 190a bis 190g angezeigt ist. Das den Laufschaufeln der ersten und zweiten Stufe durch die Wege 190a und 190b der vorstehend erwähnten Wege zugeführte Kühlmittel ist ein größerer Teil des Kühlmittels, das von dem Wellenende zugeführt wird. Das Kühlmittel, das die Laufschaufeln gekühlt hat und aus den Kühlmittelauslassöffnungen 143 ausströmt, wird in die Kammer des Wärmeabschirmsammlers 175 eingeführt und dann in der Brennkammer 131 über den Sammelströmungsweg 171 und den Schlitz 173 gesammelt.
Das Kühlmittel strömt in dem Sammelströmungsweg, dessen Temperatur um 100 bis 250°C höher angestiegen ist als die Temperatur des Zufuhrkühlmittels durch Kühlen oder Wärmeaustausch mit den Laufschaufeln. Aufgrund des Anbringens des Wärmeabschirmsammlers steigt dessen Temperatur auf eine Temperatur nahe der des gesammelten Kühlmittels. Da jedoch Spalte, die von dem Hohlraum 166 und den Aussparungen 180 an den Seitenwänden des Kanals ausgebildet sind, zwischen dem Wärmeabschirmsammler und der Scheibe sowie dem Distanzstück vorhanden sind, ist die Wärmeleitung aus dem Sammelkühlmittel zur Scheibe und zum Distanzstück um den Wärmeabschirmsammler herum durch den Wärmewiderstand der Spalte stark begrenzt.
Da der Sammelströmungsweg 171 und der Schlitz 173a das Wärmeabschirmrohr 172 und den Wärmeabschirmkanal 174 haben, kann dadurch im Wesentlichen der gleiche Effekt erreicht werden. Im Gegensatz dazu ist das Innere des Rotors mit Ausnahme der Kühlmittelsammelwege in das in den Wegen 190a bis 190c strömende Zufuhrkühlmittel getaucht, so dass das Rotormaterial einschließlich der Teile um die Kühlmittelsammelwege herum stark durch die Wärmeleitung aus dem Zufuhrkühlmittel gesteuert und eine gleichförmige Verteilung der Temperatur in der Nähe der Temperatur des Zufuhrkühlmittels gebildet wird. Deshalb kann die Wärmespannung, die in dem Rotor durch Sammeln des Kühlmittels erzeugt wird, stark reduziert werden.
Insbesondere beeinflusst dann, wenn die Temperatur des Rotors beim Anlauf der Gasturbine steigt, eine teilweise auf den Rotor wirkende thermische Last die Temperaturverteilung des Rotors beträchtlich, so dass der Effekt auch hinsichtlich einer Reduzierung einer instationären Wärmespannung zum Zeitpunkt des Anlaufs groß ist.
Es ist zu befürchten, dass die Wärmespannung des Wärmeabschirmsammlers durch Wärmeausdehnung des Wärmeabschirmsammlers zunehmen kann. Die Wärmespannung wird durch die Wärmeausdehnung der Kammer 178 in Umfangsrichtung und die Wärmeausdehnung des Wärmeabschirmkanals 176, der Kammer 178 und der Rohrbahnen 179 in der Radialrichtung verursacht. Gegen die Wärmeausdehnung der Kammer 178 in Umfangsrichtung der vorstehend erwähnten Wärmeausdehnung können Maßnahmen getroffen werden, indem Spalte vorgesehen werden, die der Ausdehnung an den Grenzen zwischen den geteilten Abschnitten entsprechen.
Andererseits können Maßnahmen gegen die radiale Wärmeausdehnung der Kammer 178 und der Rohrbahnen 179 dadurch getroffen werden, dass ein Spalt 154a an dem Verbindungsabschnitt zwischen den Enden der Rohrbahnen und den Wärmeabschirmrohren 184 am Rand des Außenumfangs der Scheibe vorgesehen wird. In diesem Fall tritt, obwohl man in Betracht zieht, dass das Sammelkühlmittel aus diesen Spalten in den Hohlraum 166 strömen kann, das Ausströmen niemals ein, da eine Auslassöffnung für das ausgeströmte Sammelkühlmittel vorhanden ist. Das Ausfließen von Kühlmittel aus den Spalten kann sicherer dann verhindert werden, wenn die Spalte 154a in den Verbindungslöchern und die Rohrbahnen so ausgebildet sind, dass die Enden der Rohrbahnen sich in die Verbindungslöcher erstrecken.
Dies ist auch für eine Abstützung der Fluidkraft wirksam, die auf der auf die Rohrbahnen 179 wirkenden Zentrifugalkraft und einer Änderung des Drehimpulses des in der Radialrichtung strömenden Kühlmittels basiert. Es ist weiterhin auch für das Abstützen der Trägheit stark wirksam, die auf den Wärmeabschirmsammler in der Umfangsrichtung wirkt.
Weiterhin ist in Betracht gezogen, die Wärmespannung wirksamer zu reduzieren, indem ein Verbindungsloch 185 zwischen den Hohlräumen 166a und 166b vorgesehen und eine kleine Menge Zufuhrkühlmittel in den Hohlraum 166b eingeführt wird, um zwangsweise eine Niedertemperaturatmosphäre zu bilden, das eingeführte Kühlmittel wird jedoch besser in dem Sammelweg gesammelt, so dass in diesem Fall die Spalte an den Enden der Rohrbahnen wirksam als Sammelöffnungen für den Sammelweg genutzt werden können.
In dem Fall jedoch, in welchem Dampf als Kühlmittel verwendet wird, kann, obwohl es erforderlich ist, das Ausströmen des Kühlmittels in den Hohlraum und das Kondensieren des Dampfes in dem Hohlraum zu verhindern, indem elastische Elemente, wie Dichtungsringe und Federscheiben, in den erwähnten Spalten vorgesehen werden, zusätzlich zur Absorption der Dehnung ein Dichtungseffekt erreicht werden.
Andererseits ist die Wärmeausdehnung des Kanals 176 durch den Haken 181 und den Tragring 177 beschränkt, wobei eine Kraft in der gleichen Richtung wie die Zentrifugalkraft auf den Haken und eine Kraft in entgegengesetzter Richtung zur Zentrifugalkraft auf den Tragring 177 ausgeübt wird. Dadurch wird die Spannung in dem Tragring verringert, während die Spannung in dem Haken zunimmt. Die Spannung in dem Haken kann jedoch dadurch reduziert werden, dass die Dicke des Abschnitts des Hakens, der an dem Kanalverbindungsabschnitt, wie in 4 gezeigt ist, angeordnet ist, verringert wird oder dass dieser Teil weggelassen und durch Biegeverformung der Kammerwand absorbiert wird.
Weiterhin ist es möglich, den Kanal und die Kammer als gesonderte Teile auszubilden und mit einem Spalt dazwischen, d.h. in einem Gleitsitz, so zu montieren, dass die Wär meausdehnung durch den Spalt absorbiert werden kann. In diesem Fall stehen die Aussparungen 180 und der Sammelweg in dem Kanal in Verbindung, da jedoch in den Aussparungen aus dem gleichen Grund keine Strömung ausgebildet wird, wie im Falle der Spalte an den Enden der Rohrbahnen, ist es nicht erforderlich, die Aussparungen abzudichten.
Wenn das Kühlmittel aus dem Auslass des Sammelströmungswegs 171 in den Außenraum des Rotors in die Verbrennungskammer 131 strömt, strömt Kühlmittel mit hoher Temperatur, das aus der Dichtung 114c leckt, in die Gaswegseite durch den Radraum 115c, wodurch der Außenumfang des Distanzelements 162a erwärmt wird. Durch Herausführen des Kühlmittels, das in den Rotor zugeführt wurde, aus dem Verbindungsloch 116 zu dem Distanzelement 116a über den Weg 190g strömt jedoch Kühlmittel zu der Dichtung 114a und der Dichtung 114b, so dass die Außenseitenwand des Abstandsstücks durch dieses Kühlmittel ausreichend gekühlt werden kann. Durch Anbringen der Dichtungen 114a bis 114c derart, dass das Distanzelement 162a zwischen den Dichtungen zu liegen gebracht wird, können die Teile, deren Temperatur hoch wird, auf das Distanzelement 162a beschränkt werden.
Da der Außenumfang des Abstandsstücks dem Kühlmittel mit hoher Temperatur ausgesetzt ist, das aus einer Kühlmittelsammelöffnung zur Kompressorseite strömt, war es bisher erforderlich, es aus einem Material mit hohem Wärmewiderstand herzustellen. Durch Ausbildung des Distanzelements als gesondertes Element, wie vorstehend erwähnt, ist es jedoch möglich, das Abstandsstück aus einem Rotormaterial mit hervorragender Verarbeitbarkeit mit niedrigen Kosten herzustellen.
Das in dem Weg 190f zu der Kompressorrotorseite strömende Kühlmittel dient weiterhin zum Kühlen der Scheibe 121 des Kompressorrotors, und der Kompressorrotor kann durch Kühlen des Stirnflansches des Abstandsstücks, das mit der Stirnseite des Kompressorrotors verbunden ist, mit dem Kühlmittel, das aus der Dichtung 114a leckt, wirksamer gekühlt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die sich im Aufbau von dem Wärmeabschirmsammler unterscheidet, ist in 6 und 7 gezeigt.
Der Wärmeabschirmsammler 186 hat einen Kanal 187, eine Kammer 188 und Rohrbahnen 189, die jeweils getrennt voneinander ausgebildet sind. Der Kanal 187 wird von dem Tragring 177, die Kammer 188 von Stiften 155, die in Haken 153 an zwei Positionen eingesetzt sind, und die Rohrbahnen 199 von der Scheibe 161 durch Verbindungslöcher 183 gehalten. Durch Anbringen dieser drei Arten von Elementen in dem Rotor wird ein Sammel weg von Kühlmitteleinführöffnungen in den Laufschaufeln aus zu dem Sammelströmungsweg 171 in dem Nabenabschnitt gebildet.
In der Kammer 188 wird ein Strömungsweg 156 so gebildet, dass die Querschnittsfläche des Strömungswegs zur Stromabseite entsprechend einem Mengenstrom einer zusammengeführten Strömung zunimmt. Dadurch kann die Kammer mit geringem Gewicht hergestellt werden, und die von der Zentrifugalkraft verursachte Spannung wird verringert. Durch das getrennte Ausbilden der drei Arten von Elementen, wie vorstehend erwähnt, beeinflussen sich ihre Wärmeausdehnungen gegenseitig nicht, und gleichzeitig wird die radiale Ausdehnung eines jeden durch Spalte 154b, 154c absorbiert, so dass die Wärmespannung reduziert werden kann.
Die Umfangsausdehnung der Kammerspannweite zwischen den Haken wird durch die Stifte 155 beschränkt, so dass eine Druckspannung in der Kammer in der Umfangsrichtung auftritt. Die Spannweite ist jedoch die Hälfte der Umfangslänge und die Ausdehnung ist gering, so dass die Spannung klein ist.
Die Rohrbahnen 189 sind in die Verbindungslöcher 183 an dem einen Ende durch Kalteinpassung eingepasst. Da die anderen Enden Spalte 154b zwischen den Löchern der Kammer haben, sind die Rohrbahnen für die Zentrifugalkraft ausgekragt. Deshalb ist zu befürchten, dass eine Biegespannung in den Rohrbahnen auftritt, die zu einem zulässigen Bereich unterdrückt werden kann, indem die Spalte klein gemacht werden, so dass es kein Problem beim Halten des Aufbaus gibt.
Da der oben erwähnte Kühlmittelweg Spalte an zwei Positionen hat, strömt das Sammelkühlmittel aus dem Spalt 154b auf der Stromauseite und in den Sammelweg aus dem Spalt 154c auf der Stromabseite. Es ist zu befürchten, dass Kühlmittelströme entstehen, die die Hohlräume umgehen. Bei dieser Ausgestaltung werden die Strömungswege 158 und 159 in der Nabe an der Innenseite des Kanals 187 bzw. den Seitenwänden des Kanals gebildet, wobei der Aufbau so ist, dass ein Teil des Zufuhrkühlmittels, das in das zentrale Loch der Scheibe strömt, in den Hohlraum 168 durch die Strömungswege 158, 159 und die Aussparungen 180 der Seitenwände strömt.
Da innerhalb der Laufschaufel komplizierte Strömungswege gebildet werden, ist auch der Druckverlust groß. Deshalb gibt es eine große Druckdifferenz zwischen dem Zufuhrkühlmittel und dem Sammelkühlmittel, das in der Kammer strömt. Da das in den Hohlraum strömende Kühlmittel in den Sammelweg aus den Spalten 154b und 154c aufgrund der Druckdifferenz strömt, kann die oben erwähnte Strömung, die den Hohlraum umgeht, nicht gebildet werden.
Durch den oben erwähnten Zufuhrkühlmittelstrom wird die Seitenwand des Kanals 187 gekühlt, und die Wärmeleitung aus einem Rahmen wird anders als bei den Aussparungen der Seitenwand zu der Scheibe verringert. Zusätzlich werden Seitenflächen um den Hohlraum herum gekühlt. Deshalb wird die Temperaturverteilung der Scheibe gleichförmiger, und die durch Sammeln des Kühlmittels verursachte Wärmespannung kann weiter reduziert werden. Zum Zeitpunkt des Anlaufs gibt es, da die Scheibe von beiden Seiten erwärmt wird, einen Effekt der Reduzierung der instationären Wärmespannung beim Anlaufen.
Bei dem oben erwähnten Weg für ein Zufuhrkühlmittel wird das Kühlmittel aus dem Strömungsweg 158 eingeführt. Es ist jedoch auch möglich, Nuten in der Rippe des Wärmeabschirmrohrs 172 und des Tragrings 177 des Kanals 187 vorzusehen und das Kühlmittel aus dem Zufuhrschlitz 173b durch den Spalt 193 zuzuführen. In diesem Fall kann auch ein Effekt erreicht werden, der zu dem oben erwähnten Effekt äquivalent ist.
Eine weitere Ausgestaltung des Wärmeabschirmsammler der vorliegenden Erfindung ist in 8 und 9 gezeigt.
Bei dieser Ausgestaltung, wie sie im Schnitt in 13 gezeigt ist, ist eine Außenumfangsseite einer Kammer 195 des Wärmeabschirmsammlers 194 geöffnet und ein solcher Aufbau vorgesehen, dass der Sammler so angeschlossen ist, dass die Wege mit den Fußabschnitten der Schaufeln durch einen großen Spalt verbunden sind. Deshalb kann die Verengung einfach ausgeführt werden. Zusätzlich gibt es den Vorteil, dass die Zentrifugalkraft der Kammer weiter reduziert werden kann.
Das Sammelkühlmittel strömt ins Innere des Hohlraums 166 aus den Verbindungslöchern 183 und wird dann durch den Wärmeabschirmkanal 187 gesammelt. Da die Kammereinströmöffnungen 196 jedoch zu den Verbindungslöchern 183 geöffnet sind und der Druckverlust in dem Sammelweg von der Kammer zur Brennkammer klein ist, strömt das aus den Verbindungslöchern 183 abströmende Kühlmittels so, dass es in die Kammer absorbiert wird, wobei das aus den Verbindungslöchern ausgeblasene Kühlmittel nicht direkt auf die Wandflächen der Scheibe 161 und des Distanzelements 182 gestrahlt wird.
Andererseits wird das Zufuhrkühlmittel, das in den Aussparungen 180 des Wärmeabschirmkanals strömt und in den Hohlraum 166 aus dem Außenumfangsende abströmt, mit dem Sammelkühlmittel an den Einströmöffnungen 196 der Kammer zusammengeführt und in der Kammer gesammelt, so dass die Hohlräume an der Seite, die weiter innen als die Einströmöffnungen liegen, mit dem Zufuhrkühlmittel gefüllt werden. Deshalb tritt eine Wärmespannung an der Außenumfangsseite der Scheibe auf. Da jedoch die zentrifugale Spannung, die durch die Außenumfangsseite verursacht wird, gering ist, ist die resultierende Spannung klein, was für eine Gasturbine gilt, bei der die thermische Belastung der Laufschaufeln relativ gering ist.
Bei der vorstehend erwähnten Ausführungsform wird das Kühlmittel für die Laufschaufeln der dritten Stufe nicht gesammelt und in die Gaswegseite abgeführt. In dem Fall jedoch, in welchem Kühlmittel einschließlich des Kühlmittels für die Laufschaufeln der dritten Stufe gesammelt wird, wird dies durch Hinzufügen eines Wärmeabschirmsammlers zwischen das Distanzelement und die Scheibe und dadurch erreicht, dass sich der Sammelströmungsweg 171 so erstreckt, dass er mit diesem Sammler verbunden ist.
Der Strömungswegaufbau innerhalb des Rotors ist entsprechend dem Maßstab einer Gasturbine und dem Temperaturpegel des Verbrennungsgases austauschbar. Solange jedoch ein Wärmeabschirmsammler in dem Hohlraum an der Außenseite einer Nabe vorgesehen wird, kann der gleiche Effekt erreicht werden, auch wenn er in jedem Hohlraum vorgesehen wird. Bei einem Beispiel dafür wird in Betracht gezogen, dass der Zufuhrweg, der in der Seitenfläche der Scheibe 161a der ersten Stufe ausgebildet ist, durch den Sammelweg ausgetauscht wird, dass ein Raum zwischen dem Distanzelement 162a und der Scheibe der ersten Stufe als der Sammelweg ausgeführt wird und dass ein von einem Wärmeabschirmströmungsweg gebildeter Sammler in diesen Sammelweg eingeführt wird. Um den Einfluss des Zufuhrkühlmittels zu verringern, ist es möglich, den Wärmeabschirmsammler in dem Kühlmittelzufuhrweg vorzusehen.
Der Strömungswegaufbau ändert sich mit den Kühlmittelarten stark. Im Falle einer Dampfkühlung ist es effektiv, ihn in dem Wellenende zu sammeln. Solange ein Sammelweg in einem Nabenabschnitt gebildet wird, gibt es jedoch in diesem Fall kein Problem, und es kann der gleiche Effekt wie vorstehend erreicht werden. Weiterhin sind bei den vorstehenden Beispielen Turbinen mit vier Stufen als Beispiele genommen. Solange es Mehrfachstufen sind, ist die Anzahl der Stufen der Turbinen nicht begrenzt.
Wie vorstehend verschieden erläutert, wird bei der Gasturbine in der Bauweise mit Kühlmittelsammlung als Verbindungskonstruktion der Kühlmittelstromwege und der Laufschaufeln das Verbindungsloch an einem Ende der Kammer gebildet, und der Wärmeab schirmsammler, der die gleiche Anzahl von Verbindungsrohren wie Laufschaufeln hat, wird in dem anderen Ende eingeführt, wodurch die Laufschaufeln, die eine Vielzahl von Kühlmitteleinlässen und -auslässen haben, glatt an die Kühlmittelströmungswege in dem Rotor angeschlossen werden können, wobei die Wärmeleitungsgröße von den Strömungswegen zur Scheibe durch den Wärmewiderstand der Luftschicht reduziert wird, die zwischen der Scheibe und dem Sammler gebildet wird, so dass die Wärmespannung stark reduziert werden kann. In diesem Fall wird entsprechend dem Zustand der auftretenden Wärmespannung entscheiden, welcher Weg von dem Zufuhrweg und dem Sammelweg des oben erwähnten Wärmeabschirmsammlers angebracht wird, wobei es in einigen Fällen möglich ist, ihn an beiden anzubringen.
Ferner wird ein Haken, dessen Querschnitt ringförmig ist, an der Seitenwand des vorstehend erwähnten Sammlers ausgebildet, während eine Aussparung in der Seitenwand der Scheibe gegenüber dem Haken ausgebildet wird, wodurch es möglich ist, eine starke zentrifugale Belastung zum Zeitpunkt der Drehung ohne Befestigung durch Bolzen abzustützen.
Da der Wärmeabschirmsammler am Umfang in eine Vielzahl von Sektionen unterteilt ist, können geringe Spalte, die zwischen den geteilten Flächen gebildet werden, eine Umfangsausdehnung des Wärmeabschirmsammlers aufgrund Wärmeausdehnung zulassen, während die Wärmespannung, die auf den Sammler selbst einwirkt, reduziert werden kann.
Der Aufbau der eigentlichen Rotoren ist ebenfalls verbessert. Bei einer Gasturbine, bei der ein Turbinenrotor, der durch Aneinanderschichten von Scheiben gebildet wird, und ein Kompressor durch ein Abstandsstück verbunden sind, und ein Kühlmittel nach dem Kühlen der Laufschaufeln in die Brennkammer gesammelt wird, wird ein sich radial erstreckender Sammelströmungsweg in dem Verbindungsabschnitt des Abstandsstücks und eines Distanzelements durch das Distanzelement zwischen dem Abstandsstück und einer Scheibe der ersten Stufe gebildet, wobei ein Wärmeabschirmelement in dem Sammelstromweg angebracht ist, wodurch eine thermische Belastung des groß bemessenen Abstandsstücks aufgrund der Sammlung des Kühlmittels verringert und die Wärmespannung stark reduziert werden kann.
An beiden Enden des Abstandsstücks und an dem Außenumfang des Distanzelements sind Dichtungen vorgesehen, während das Abstandsstück ein zentrales Loch und ein Verbindungsloch hat, das zwischen den Dichtungen am Umfang von dem zentralen Loch so hindurchgeht, dass ein Teil des für die Laufschaufeln zugeführten Kühlmittels zum Außenumfang des Abstandsstücks geführt und das Abstandsstück durch dieses Kühlmittel ausrei chend gekühlt wird, wobei es möglich ist, die Temperatur der umgebenden Teile auf einer niedrigen Temperatur zu halten.
Wie oben erläutert, ist es bei den Ausführungsformen möglich, die Wärmespannung in einem Rotorteil aufgrund des Sammelns eines Kühlmittels für Laufschaufeln ausreichend zu reduzieren und diese Art einer Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise zu erhalten, die in der Lage ist, ein Sammeln mit hohem Wirkungsgrad zu bewirken.

Claims

Gasturbine (150), die mit einem Kühlmittelzufuhrströmungsweg für eine Zufuhr eines Kühlmittels zur Kühlung von Laufschaufeln (140) und einem Kühlmittelsammelströmungsweg (171) für ein Sammeln des Kühlmittels nach dem Kühlen der Laufschaufeln (140) innerhalb eines Turbinenrotors (160) mit Scheiben (161, 161a, 161b, 161c) und Distanzelementen (162a, 162b, 162c, 162d) versehen ist, mit wenigstens einem Wärmeabschirmsammler (175, 175a, 175b, 186, 194) der in dem Kühlmittelzufuhrströmungsweg und/oder in dem Sammelströmungsweg (171) angebracht ist und – zwischen dem Distanzelement (162a, 162b, 162c, 162d) und der Scheibe (161, 161a, 161b, 161c), – und zwischen den Laufschaufeln (140) und einem sich axial erstreckenden Teil des Kühlmittelzufuhrströmungswegs oder einem sich axial erstreckenden Teil des Kühlmittelsammelströmungswegs (171) angeordnet ist, wobei wenigstens ein Verbindungsweg für eine Verbindung des Wärmeabschirmsammlers (175, 175a, 175b, 186, 194) und des sich axial erstreckenden Abschnitts des Kühlmittelzufuhrströmungsweges oder des sich axial erstreckenden Abschnitts des Kühlmittelsammelströmungsweges (171) vorgesehen ist, wobei Verbindungsleitungen, deren Anzahl der Anzahl der Laufschaufeln entspricht, zwischen dem Wärmeabschirmsammler (175, 175a, 175b, 186, 194) und den Laufschaufeln (140) vorgesehen sind, und wobei ein Kühlmittel durch den Wärmeabschirmsammler (175, 175a, 175b, 186, 194) und die Verbindungsleitungen den Laufschaufeln (140) zugeführt oder von diesen gesammelt wird.
Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer außenseitigen Wandfläche des Wärmeabschirmsammlers (175, 175a, 175b, 186, 194) ein ringförmiger Vorsprung (181) vorgesehen ist, der konzentrisch zu dem Turbinenrotor (60) ist, an der Seite der Scheibe (161, 161a, 161b, 161c) eine Nut vorgesehen ist, und der ringförmige Vorsprung (181) in Eingriff mit der Nut (182) steht.
Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabschirmsammler (175, 175a, 175b, 186, 194) so ausgebildet ist, dass er in Umfangsrichtung in eine Vielzahl von Sektoren trennbar ist.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den wenigstens einen Verbindungsweg bildende Leitung in einem separaten Element ausgebildet ist, das von einem Hauptkörper des Wärmeabschirmsammlers (186) getrennt ist, und ein Verbindungsabschnitt des Hauptkörpers des Wärmeabschirmsammlers (186) und der den Verbindungsweg bildenden Leitung für einen Gleitsitz ausgebildet ist.