-
Hintergrund der Erfindung
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlmedium-Strömungskanalstruktur
in einer Gasturbinen-Laufschaufel,
die durch ein dieser von dem Inneren eines Rotors zugeführtes Kühlmedium zu
kühlen
ist.
-
Beschreibung des Standes
der Technik
-
Eine
herkömmliche
Gasturbinen-Laufschaufelstruktur wird mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben. 3 zeigt
eine Gasturbine, die Luft als Kühlmedium
verwendet, wobei ein Beispiel des Einleitens von Kühlluft in
die Gasturbinen-Laufschaufel angegeben
wird.
-
Kühlluft,
die durch ein Kühlluftrohr 51 strömt, wie
durch Pfeile angegeben ist, passiert ein Loch 53 in einer
Rotorscheibe 52, so dass es in eine hohle Laufschaufel 54 einströmt, um diese
zu kühlen.
Hierbei bezeichnet die Bezugsziffer 55 in der Fig. eine Brennkammer,
und die Bezugsziffer 56 bezeichnet einen Axialkompressor. 4 zeigt
ein Beispiel der Laufschaufel mit internem Kühlstromkanal.
-
Die
Kühlluft,
die von einem unteren Abschnitt eines Schaufelfußes 71 eintritt, strömt in der
durch Pfeile angegebenen Richtung, um so die Laufschaufel abzukühlen. D.h.,
die von einer Vorderkantenseite 72A eintretende Kühlluft strömt in einen
Kühlluftweg bzw.
Kühlluftkanal
mit mehreren Kühlrippen 73 zur Bildung
eines Turbulenzförderers,
so dass die Laufschaufel abgekühlt
wird, und tritt schließlich
aus einem Loch A am oberen Schaufelabschnitt mit einem verdünnten Spitzen-
bzw. Außenabschnitt 74 aus,
so dass es sich in die Hauptgasströmung mischt.
-
Andererseits
strömt
von einem Hinterkantenabschnitt 72B eintretende Kühlluft in
einen Kühlluftkanal
mit mehreren Kühlrippen 73 in
der durch Pfeile angegebenen Richtung und kühlt schließlich eine Schaufelhinterkante über Nadel-
bzw. Stegrippen 75. Sie strömt dann aus mehreren an dem
Schaufelende vorgesehenen Löchern
B aus, so dass sie sich mit der Hauptgasströmung vermischt. Hierbei bezeichnet
die Bezugsziffer 76 eine Schaufelplattform.
-
Wie
oben beschrieben wurde, ist die herkömmliche Schaufel so gebaut,
dass von der Scheibe zum Schaufelfuß transportierte Kühlluft zum
Abkühlen
der Laufschaufel verwendet wird und schließlich in die Hauptgasströmung ausgetragen
wird.
-
Da
bei dem vorher erwähnten
herkömmlichen
Typ die Kühlluft
nach der Kühlung
der Laufschaufel in den Hauptgasstrom ausgetragen wird, ist dies
ein negativer Faktor hinsichtlich des Wärmewirkungsgrads der Turbine.
-
Ferner
ist es bei der luftgekühlten
Gasturbine durch eine intensivere Abdichtung zwischen der Hauptgasströmung und
dem Innern des Rotors derart, dass ein Zurückströmen von heißem Gas aus einem Dichtungsabschnitt
blockiert und die in die Hauptgasströmung austretende Kühlluftmenge
minimiert wird, möglich,
den Wärmewirkungsgrad
zu verbessern. Somit ist eine solche Struktur, bei der nur die notwendige
Kühlluftmenge
der Laufschaufel zugeführt
wird, um diese abzukühlen,
während
die restliche Luft dem Dichtungsabschnitt zugeführt wird, eine wirksame Struktur.
-
In
den letzten Jahren ist immer öfter
Dampf statt Kühlluft
als Kühlmedium
verwendet worden, um den Wirkungsgrad der Gasturbine zu steigern.
Da bei einer solchen Dampfkühlung
jedoch als der aus einer einen kombinierten Zyklus bildenden Dampfturbine extrahierte
Dampf der Dampf aus einem Abwärme-Heizkessel oder dergleichen
verwendet wird, ist eine komplette Eliminierung des Ausleckens von Kühldampf
in die Gasturbine wegen des Dampfzyklus erforderlich, wie z.B. die
Zuführung
demineralisierten Wassers, die Verhinderung einer Abnahme des Kraftwerk-Wärmewirkungsgrads
oder dergleichen.
-
So
ist gefordert worden, dass der Kühlmedium-Strömungskanal
in Bezug auf die Außenseite
geschlossen ist, so dass nur eine Zuführöffnung und eine Rückgewinnungs-
bzw. Rückführöffnung vorgesehen
sind, wodurch deren Herstellung vereinfacht wird. So ist der Kühlmediumkanal
allgemein derart gestaltet, dass das Kühlmedium von einem axialen Ende
an der Austragseite des Gasturbinenrotors zugeführt und am axialen Ende zurückgeführt wird.
-
Sowohl
bei Luftkühlung
als auch bei Dampfkühlung
ist es erforderlich gewesen, dass die Laufschaufel sicher gekühlt wird,
ohne ein Entweichen des Kühlmediums
zu gestatten. Obwohl es absolut erforderlich ist, dass bei Luftkühlung oder
Dampfkühlung
das Kühlmedium
sicher zugeführt
wird, hat hierbei der herkömmliche
Kühlmedium-Strömungskanal nicht
die geeignete Struktur zur sicheren Zurückgewinnung bzw. Rückführung des
Kühlmediums.
-
Ein
weiteres Problem der herkömmlichen Kühlmedium-Strömungskanalstruktur
betrifft eine Transportposition des Kühlmediums zwischen der Scheibe
und dem Schaufelfuß,
d.h. dass keine geeignete Abdichtleistung infolge des internen Drucks
des Kühlmediums,
des Unterschieds in der Wärmedehnung
zwischen der Scheibe und dem Schaufelfuß, der Zentrifugalkraft und
dergleichen sichergestellt wurde.
-
US-A-5
318 404 offenbart eine Kühlmedium-Strömungskanalstruktur
für eine
Gasturbinen-Laufschaufel, die durch ein von einem Innern einer Rotorscheibe
in diese eingeleitetes Kühlmedium zu
kühlen
ist. Diese Struktur umfasst am Verbindungsabschnitt zwischen dem
scheibenseitigen Kühlmedium-Strömungskanal
und dem schaufelseitigen Kühlmedium-Strömungskanal
ein Paar Kompressionsdichtungen, die in an der Unterseite eines Schwalbenschwanzschlitzes
der Rotorscheibe ausgebildeten Ausnehmungen angeordnet ist. Die
Dichtungen sind elastisch in einer Radialrichtung verformbar und
sind auch axial innerhalb der Ausnehmungen bewegbar. An dem radialen äußeren Ende
jeder Hülse
ist eine sphärische
Oberfläche
für einen
Dichtungseingriff mit einer Sitzfläche vorgesehen, die um den
Einlass oder Auslass des schaufelseitigen Kühlmedium-Strömungskanals
ausgebildet ist. An dem radialen inneren Ende sitzen die Hülsen abdichtend auf Flanschen
der Ausnehmungen. Die Elastizität
der Kompressionsdichtungen nach der Anbringung zwingt die Dichtungsflächen der
Dichtungen in Dichtungseingriff mit den Sitzen um den Einlass bzw.
Auslass.
-
Abriss der Erfindung
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlmedium-Strömungskanalstruktur
für eine Gasturbinen-Laufschaufel bereitzustellen,
bei der die Abdichtleistung verbessert ist, um so ein Auslecken des
Kühlmediums
zu unterbinden, wodurch der Wärmewirkungsgrad
der Gasturbine verbessert wird. Um diese Aufgabe zu erfüllen, stellt
die vorliegende Erfindung die Kühlmedium-Strömungskanalstruktur
bereit, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Diese Strömungskanalstruktur
umfasst eine konkave sphärische
Oberfläche,
die an einer inneren Oberfläche
eines Endabschnitts eines Kühlmediumkanals
auf einer Schaufelseite ausgebildet ist, sowie ein hohles Rohr,
wobei ein Ende desselben eine konvexe sphärische Oberfläche aufweist,
die mit der konkaven sphärischen
Oberfläche
in Eingriff kommt, und das andere Ende eine konvexe sphärische Oberfläche hat,
die mit einer inneren Oberfläche
eines Kühlmedium-Strömungskanals
auf einer Rotorscheibenseite in Eingriff steht, so dass das hohle
Rohr zwischen dem Kühlmedium-Strömungskanal
auf der Schaufelseite und dem Kühlmedium-Strömungskanal
auf der Rotorscheibenseite kommuniziert, während eine Halterungsvorrichtung
zum Halten des hohlen Rohrs an einer Verbindungsposition vorgesehen
ist. Da gemäß dieser
Erfindung das zwischen dem Kühlmedium-Strömungskanal
auf der Schaufelseite und dem Kühlmedium-Strömungskanal
auf der Rotorscheibenseite eine Verbindung herstellende hohle Rohr
so ausgebildet ist, dass ein Ende desselben eine konvexe sphärische Oberfläche aufweist,
die mit der konkaven sphärischen
Oberfläche
der Innenfläche
des Kühlmedium-Strömungskanals
auf der Schaufelseite in Eingriff steht, und das andere Ende eine
konvexe sphärische
Oberfläche
aufweist, die mit einer Innenfläche
des Kühlmedium-Strömungskanals
auf der Rotorscheibenseite in Eingriff steht, um die Verbindung
herzustellen, wird die Koppelung der sphärischen Oberflächenabschnitte
weiter durch Zentrifugalkraft, durch einen Unterschied in der Wärmedehnung
und dergleichen bei dem Transport des Kühlmediums gewährleistet,
so dass die Abdichtleistung dadurch verbessert wird und ein Entweichen
des Kühlmediums
abgeblockt wird.
-
Da
ferner die Koppelung durch das hohle Rohr mittels sphärischer
Oberflächenkontakte
erfolgt, wird Flexibilität
gegenüber
einer relativen Abweichung infolge eines Verarbeitungsfehlers der
Rotorscheibe und des Schaufelfußes
sowie durch Zentrifugalkraft oder Hitze während des Betriebs gewährleistet,
um so eine wirksame Abdichtleistung an dieser Transportposition
sicherzustellen, wodurch eine Leckage hinreichend verhindert wird.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Es
zeigen:
-
1 eine
Vorderansicht einer Gasturbinen-Laufschaufel
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
-
2 eine
erläuternde
Ansicht zur Darstellung eines Abschnitts A von 1 in
Vergrößerung,
-
3 eine
erläuternde
Ansicht zur Darstellung eines Stadiums des Einleitens eines Kühlmediums
in eine herkömmliche
Gasturbine, und
-
4 eine
erläuternde
Ansicht zur Darstellung eines Stadiums einer Laufschaufelkühlung in
einer herkömmlichen
Gasturbine.
-
Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
-
Im
folgenden wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
-
1 zeigt
eine Vorderansicht einer Laufschaufel vom Kühlmedium-Rückgewinnungstyp, und 2 zeigt
einen Abschnitt A von 1 in Vergrößerung.
-
Die
Laufschaufel 1 ist auf einer Schaufelplattform 2 positioniert,
und ein Schaufelfuß 3 befindet
sich unter der Schaufelplattform 2. Jeder der Vorsprungsabschnitte 4 für die Zuführseite
und Rückführseite
ist an beiden Enden in der Axialrichtung eines untersten Abschnitts
des Schaufelfußes 3 vorgesehen.
Ein Kühlmedium-Strömungskanal
B ist innerhalb der Vorsprungsabschnitte 4 vorgesehen,
wobei beide Enden desselben gebogen sind, wie durch punktierte Linien
gezeigt ist. Das Kühlmedium
wird so zugeführt,
wie es durch einen Pfeil angedeutet ist, um das Innere der hohlen
Schaufel und den Schaufelfuß zu
kühlen,
und wird zurückgeführt.
-
Ein
Detail des Vorsprungsabschnitts 4 zum Transportieren des
Kühlmediums
zu dem vorgenannten Kühlmedium-Strömungskanal
B wird im folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben.
Es wird hier hauptsächlich
die Zuführseite
beschrieben, und eine Beschreibung der Rückführseite entfällt, die
Struktur und Funktion der beiden Seiten sind jedoch die gleichen.
-
Gemäß 2 umfasst
der Abschnitt A mehrere Teile. Eine Innenfläche eines Endabschnitts (dies
ist nicht notwendigerweise ein komplettes Ende, sondern kann auch
einen geringfügig
nach innen gelegenen Abschnitt umfassen) des im Schaufelfuß 3 der
Laufschaufel 1 vorgesehenen Kühlmedium-Strömungskanals
B ist in der Form eines konkaven sphärischen Flächenabschnitts C bearbeitet.
Ein hohles Rohr 6, bei dem ein Ende eine konvexe sphärische Oberfläche D aufweist
und das andere Ende eine konvexe sphärische Oberfläche F hat,
welche mit einem Kühlmedium-Strömungskanal
E einer Scheibe 5 in Eingriff steht, ist in diesen konkaven sphärischen
Flächenabschnitt
C eingesetzt.
-
Das
hohle Rohr 6 ist so installiert, dass die konvexe sphärische Fläche D in
die konkave sphärische
Fläche
C des Schaufelfußes 3 über eine
solche Halterungsvorrichtung eingesetzt ist, die ein Pressmetall 7,
ein Pressmetall-Montagemetall 8,
eine Seitenplatte 9 etc. in dieser Reihenfolge von der
Seitenfläche
des Endabschnitts des Schaufelfußes 3 aufweist, wobei
das andere Ende desselben in den Kühlmedium-Strömungskanal
E der Scheibe 5 eingesetzt ist. Mit diesem Aufbau wird
ein Entweichen des Kühlmediums
an dieser Transportposition infolge des Innendrucks verhindert, wodurch
die Abdichtleistung verbessert wird. Da ferner das hohle Rohr 6 und
der Schaufelfuß 3 durch
sphärischen
Oberflächenkontakt
zwischen der konvexen sphärischen
Oberfläche D
und der konkaven sphärischen
Oberfläche
C verbunden sind, wird Flexibilität gegenüber einer Relativabweichung
infolge eines Verarbeitungsfehlers oder infolge von Zentrifugalkraft
oder Hitze während
des Betriebs gewährleistet,
so dass die Abdichtleistung an dieser Transportposition sichergestellt
wird, wodurch eine Leckage sicher verhindert wird.
-
Obwohl
die Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurde, ist die vorliegende
Erfindung nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt,
sondern ihr konkreter Aufbau kann selbstverständlich auf verschiedene Arten
und Weisen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche modifiziert werden.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Kühlmedium-Strömungsweg
einer Gasturbinen-Laufschaufel, die durch ein in diese vom Innern eines
Rotors zugeführtes
Kühlmedium
zu kühlen
ist, so ausgebildet, dass eine konkave sphärische Oberfläche an einer
Innenfläche
eines Endabschnitts eines Kühlmedium-Strömungswegs
auf einer Schaufelseite ausgebildet ist, und ein hohles Rohr vorgesehen
ist, von dem ein Ende eine konvexe sphärische Oberfläche aufweist,
die in Eingriff mit der konkaven sphärischen Oberfläche steht,
und dessen anderes Ende eine konvexe sphärische Oberfläche hat,
die mit einer Innenfläche
eines Kühlmedium-Strömungswegs
auf einer Rotorscheibenseite in Eingriff steht, so dass das hohle
Rohr zwischen dem Kühlmedium-Strömungsweg
auf der Schaufelseite und dem Kühlmedium-Strömungsweg
auf der Rotorscheibenseite eine Verbindung herstellt, während eine
Halterungsvorrichtung zum Halten des hohlen Rohrs an einer Verbindungsposition
vorgesehen ist.
-
Somit
wird die Abdichtleistung durch eine Beziehung zwischen der konvexen
sphärischen Oberfläche, die
am hohlen Rohr vorgesehen ist, und der konkaven sphärischen
Oberfläche,
die in dem Kühlmedium-Strömungsweg
und dergleichen vorgesehen ist, verbessert, so dass der Transport
des Kühlmediums
ohne irgendeine Leckage erfolgt. Ferner wird das Kühlmedium,
das zum Kühlen
der Scheibe und der Schaufel verwendet und dabei erwärmt wird,
nicht in den Gaskanal ausgetragen, sondern kann von außerhalb
der Gasturbine zurückgewonnen
werden. Infolgedessen kann beispielsweise in einem Gasturbinen-Kombikraftwerk dessen
Wärmewirkungsgrad
und eine Dampfzyklusleistung der Dampfturbine verbessert werden,
wodurch es möglich
wird, zur Verbesserung des Wärmewirkungsgrads
des gesamten Kraftwerks beizutragen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann nicht nur für
die Anwendung bei der dampfgekühlten Gasturbine
vom Rückgewinnungstyp,
sondern auch bei der luftgekühlten
Gasturbine vom Nicht-Rückgewinnnungstyp
Luft nur in der notwendigen Menge zum Kühlen der Laufschaufel mit Sicherheit
und ohne Leck der Laufschaufel zugeführt werden, und ferner kann
eine Dichtungsluft, die zum Verhindern eines Strömens des Hochtemperatur-Hauptgasstroms
ins Innere des Rotors verwendet wird, reduziert werden. Somit kann
die in den Hauptgasstrom strömende Luftmenge
reduziert werden, so dass der Wärmewirkungsgrad
der Gasturbine verbessert werden kann.