DE69831109T2

DE69831109T2 - Kühlluftzufuhrsystem für die Schaufeln einer Gasturbine

Info

Publication number: DE69831109T2
Application number: DE69831109T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Takasago-shi Fukuno; Yasuoki Takasago-shi Tomita; Kiyoshi Takasago-shi SUENAGA; Yukihiro Takasago-shi HASHIMOTO
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: CA2231668C; EP0864728B1; EP0864728A3; EP0864728A2; US6077034A; DE69831109D1; JPH10252410A; CA2231668A1; JP3416447B2

Description

Gebiet der Erfindung und Erklärung zum Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlluftzufuhrsystem zum wirksamen Kühlen einer Schaufel einer Gasturbine mittels Luft, und insbesondere auf ein System, das es ermöglicht, eine sich drehende Schaufel (sich bewegende Schaufel) mit Luft zu kühlen, wenn ein Rotor mit Dampf gekühlt wird.
2 ist eine Querschnittsdarstellung des Inneren einer herkömmlichen, allgemeinen Gasturbine, die einen Kühlluftstrom zu einer sich drehenden Schaufel hin zeigt. In 2 bezeichnen die Bezugszeichen 50, 51 und 52 jeweils eine feststehende Schaufel sowie ein äußeres und ein inneres Deckband. Das Bezugszeichen 60 bezeichnet eine sich drehende Schaufel, die so gestaltet ist, daß sie an einem Rotorscheiben-Schaufelwurzelabschnitt 62 einer Turbinenscheibe 61 angebracht ist und zwischen feststehenden Schaufeln 50 gedreht wird.
Bei der zuvor erwähnten, durch die feststehende Schaufel 50 und die sich drehende Schaufel 60 gebildeten Gasturbine wird die sich drehende Schaufel 60 mit Luft gekühlt und ist dazu eingerichtet, mit einem Teil der Rotor-Kühlluft gekühlt zu werden. Dabei ist ein Radialloch 65 im Rotorscheiben-Schaufelwurzelabschnitt 62 ausgebildet, und die Rotor-Kühlluft 100 wird jedem Scheibenhohlraum 64 zugeführt. Die Rotor-Kühlluft 100 wird durch das Radialloch 65 zu einem unteren Abschnitt einer Plattform 63 geleitet und der sich drehenden Schaufel 60 zugeführt.
3 ist eine detaillierte Ansicht der feststehenden und der sich drehenden Schaufeln in der Gasturbine der obigen Bauweise. In 3 weist die feststehende Schaufel 50 das äußere Deckband 51 und das innere Deckband 52 auf. Ein Luftrohr 53 läuft axial durch das Innere der feststehenden Schaufel 50 hindurch. Dabei wird in dieser feststehenden Schaufel 50 Luft 110 zur Abdichtung von einer Seite des äußeren Deckbandes 51 zu einem Hohlraum 54 geleitet und strömt durch ein Loch 57 zu einem Durchlaß 56 aus. Ein Druck innerhalb des Durchlasses 56 ist im Vergleich zu dem in einem Brenngasdurchlaß erhöht, und ein Teil dieses Druckes fließt in den Brenngasdurchlaß, um das Eindringen eines Hochtemperaturgases zu verhindern.
Das Bezugszeichen 55 bezeichnet eine Labyrinthdichtung, die in ähnlicher Weise zum Abdichten gegenüber Hochtemperaturgas verwendet wird.
Wie zuvor erwähnt, leitet die der sich drehenden Schaufel 60 zugeführte Kühlluft die Rotor-Kühlluft 100 in den Scheibenhohlraum 64 und auch in einen Schaftabschnitt 61, der von einer Dichtplatte 66 in einem unteren Abschnitt der Plattform 63 umgeben ist, durch das Radialloch 65, das durch das Innere des Rotorscheiben-Schaufelwurzelabschnittes 62 hindurchläuft. Die Rotor-Kühlluft 100 wird dann von diesem Schaftabschnitt 61 einem Durchlaß zur Kühlung der sich drehenden Schaufel 60 zugeführt. Die Luft aus einem Verdichter kann auch durch einen Kühler gekühlt werden, anstatt einen Teil der Rotor-Kühlluft zu verwenden, und dem Scheibenhohlraum 64 zugeführt werden.
Wie zuvor erwähnt, werden die Schaufeln der herkömmlichen Gasturbine mit Luft und die sich drehende Schaufel 60 insbesondere durch Zufuhr eines Teils der Rotor-Kühlluft gekühlt. In den letzten Jahren wurde nach einem Kühlsystem geforscht, das Dampf anstelle von Luft verwendet. Wenn ein Rotorsystem mit Luft gekühlt wird, kann vom Rotor keine Kühlluft erhalten werden, so daß bei der herkömmlichen Bauweise keine sich drehende Schaufel mit Luft gekühlt werden kann.
Wie unter Bezugnahme auf 3 erläutert, wird bei der feststehenden Schaufel 50 die Luft 110 zum Abdichten aus dem Luftrohr 53, das durch das Innere der feststehenden Schaufel hindurchläuft, zum Hohlraum 54 der feststehenden Schaufel 50 geblasen. Dabei wird das Innere des Hohlraums 54 auf einem hohen Druck gehalten, und der Druck des Durchlasses 56 ist so eingestellt, daß er höher als der Druck im Brenngasdurchlaß ist, so daß ein Eindringen eines Hochtemperaturgases in das Innere der feststehenden Schaufel verhindert wird. Dabei fließt die Luft 110 zum Abdichten, die in den Hohlraum 54 hinausgeblasen wurde, teilweise durch das Loch 57 und den Durchlaß 56 zum Hochtemperatur-Brenngasdurchlaß hinaus. Wenn eine Menge dieser ausströmenden Luft erhöht wird, verringert sich der Wirkungsgrad der Gasturbine.
Ziel und Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Kühlluftzufuhrsystem für die Schaufeln einer Gasturbine bereitzustellen, bei dem die Luft zum Kühlen einer sich drehenden Schaufel von einer feststehenden Schaufel der sich drehenden Schaufel zugeführt wird, und bei dem auch Mittel zum Zuführen von Luft zum Abdichten der feststehenden Schaufel vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Kühlluftzufuhrsystem für die Schaufeln einer Gasturbine bereit, die mehrere sich drehende Schaufeln, welche jeweils über einen Schaufelwurzelabschnitt an einem Rotor befestigt sind, und auch mehrere feststehende Schaufeln umfaßt, die abwechselnd mit den sich drehenden Schaufeln so angeordnet sind, daß jede feststehende Schaufel äußere und innere Deckbänder, einen Hohlraum zur Abdichtung in einem unteren Abschnitt des inneren Deckbandes und in einem unteren Abschnitt des Hohlraumes einen Dichtkörper zur Abdichtung aufweist, wobei das Kühlluftzufuhrsystem für die Schaufeln ein Luftrohr, das durch jede der feststehenden Schaufeln vom äußeren Deckband zum inneren Deckband hindurchläuft und in den Dichtkörper eingesetzt ist, einen Abschnitt zum Einbringen von Luft zum Kühlen auf der Seite der sich drehenden Schaufeln, der im Schaufelwurzelabschnitt jeder sich drehenden Schaufel angeordnet und dazu eingerichtet ist, Kühlluft zu jeder sich drehenden Schaufel zu leiten, und einen Kühlluftdurchlaß aufweist, der im Dichtkörper angeordnet ist, mit dem Luftrohr in Verbindung steht und sich zu einem Einlaß des Abschnittes zum Einbringen von Luft zur Kühlung auf der Seite der sich drehenden Schaufeln hin so öffnet, daß dem Luftrohr zugeführte Kühlluft durch den Kühlluftdurchlaß hindurch zum Einlaß des Abschnittes zum Einbringen von Luft zur Kühlung auf der Seite der sich drehenden Schaufeln fließt und von dort zu jeder sich drehenden Schaufel geleitet wird.
Die GB 938,247 und die US 3,945,758 beschreiben ähnliche Kühlluftzufuhrsysteme für die Schaufeln einer Gasturbine.
Im Hinblick auf das obige Ziel ist die vorliegende Erfindung jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Kühlluft, die dem Luftrohr von einer Seite des äußeren Deckbandes jeder feststehenden Schaufel her zugeführt wird, der sich drehenden Schaufel zugeführt wird, während Kühlluft, die einem Durchlaß am Vorderkantenabschnitt jeder feststehenden Schaufel zugeführt wird, danach als Luft zum Abdichten des Hohlraums jeder feststehenden Schaufel zugeführt wird.
Daher kann die Kühlluft von jeder feststehenden Schaufel direkt der sich drehenden Schaufel bei einem hohen Druck und einer niedrigen Temperatur, so wie sie sind, zugeführt werden. Daher können die Kühleffekte der sich drehenden Schaufel verbessert und die Erfindung als Luftkühlsystem für die Schaufeln in einer Gasturbine verwendet werden, in welcher der Rotor mit Dampf gekühlt wird.
Wie zuvor erwähnt, wird die gesamte Kühlluft aus dem Luftrohr zum Kühlen jeder sich drehenden Schaufel verwendet. Die Luft zum Abdichten jeder feststehenden Schaufel wird durch einen Vorderkantenabschnitt der feststehenden Schaufel getrennt übertragen und kühlt diesen Vorderkantenabschnitt. Danach wird diese Luft dazu verwendet, im Hohlraum einen Druck zu erzeugen. Somit wird bei der vorliegenden Erfindung die Kühlluft effektiver genutzt als im Stand der Technik.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsdarstellung von Wurzelabschnitten feststehender Schaufeln und sich drehender Schaufeln, bei denen ein Schaufelkühlluftzufuhrsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt;
2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Schaufelabschnittes einer herkömmlichen Gasturbine, die einen Kühlluftstrom zur sich drehenden Schaufel hin zeigt, und
3 ist eine Querschnittsdarstellung einer sich drehenden Schaufel, bei der ein Kühlluftzufuhrsystem für die sich drehende Schaufel der herkömmlichen Gasturbine zur Anwendung kommt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine feststehende Schaufel mit einem äußeren Deckband 11 und einem inneren Deckband 12. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet ein Luftrohr, das durch das Innere der feststehenden Schaufel hindurchläuft, wobei Luft 100 zur Kühlung durch dieses Luftrohr 13 geleitet wird. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Hohlraum, der in einem unteren Abschnitt des inneren Deckbandes 12 angeordnet ist. Ein mit dem Luftrohr 13 verbundenes Rohr 13a läuft hermetisch durch das Innere des Hohlraums 14 hindurch. Mit dem Bezugszeichen 15 ist ein Dichtkörper zum Abstützen einer Labyrinthdichtung 15a bezeichnet. Die Bezugszeichen 16a und 16b bezeichnen Durchlässe, die von Dichtungsabschnitten 12a, 12b des inneren Deckbandes 12 in dessen beiden Endabschnitten gebildet sind. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet ein Luftloch, daß durch den Dichtkörper 15 hindurchläuft und den Hohlraum 14 mit dem Durchlaß 16a verbindet. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Kühlluftdurchlaß, der im Dichtungskörper 15 angeordnet ist. Der Kühlluftdurchlaß 18 verbindet das kontinuierlich mit dem Luftrohr 13 verbundene Rohr 13a mit einer Kühlluftkammer 24 auf der Seite einer sich drehenden Schaufel. Ein Luftdurchlaß 19A zur Abdichtung leitet die Luft 101 vom äußeren Deckband 11. Luftdurchlässe 19B, 19C, 19D, 19E und 19F bilden einen Schlangenlinien-Kühlstromdurchgang.
Die Bezugszeichen 20, 21 und 22 bezeichnen jeweils eine nicht dargestellte, sich drehende Schaufel, einen Schaftabschnitt und einen Rotorscheiben-Schaufelwurzelabschnitt. Dieser Rotorscheiben-Schaufelwurzelabschnitt 22 weist einen vorstehenden Abschnitt 22a auf.
Zwischen diesem vorstehenden Abschnitt 22a und dem Dichtungskörper 15 der feststehenden Schaufel 10 ist ein Dichtungsabschnitt 28 ausgebildet. Die Bezugszeichen 23 und 24 bezeichnen jeweils eine Plattform und eine Kühlluftkammer im Schaufelwurzelabschnitt 22. Die Kühlluftkammer 24 ist durch den vorstehenden Abschnitt 22a, die Dichtungskammer 28, den Dichtungskörper 15 der feststehenden Schaufel 10 und die Labyrinthdichtung 15a gebildet. Die Kühlluftkammer 24 steht in Verbindung mit dem Kühlluftdurchlaß 18, der im Dichtungskörper 15 auf einer Seite der feststehenden Schaufel angeordnet ist.
Das Bezugszeichen 25 bezeichnet ein Radialloch, das im Rotorscheiben-Schaufelwurzelabschnitt 22 ausgebildet ist. Das Radialloch 25 steht in Verbindung mit der Kühlluftkammer 24 und einem Luftspeicher 27, der im Schaufelwurzelabschnitt 22 und im Schaftabschnitt 21 gebildet ist. Dabei ist ein Lufteinführungsabschnitt durch den Kühlluftdurchlaß 24, das Radialloch 25 und den Luftspeicher 27 gebildet. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet eine Dichtungsplatte in einem unteren Abschnitt der Plattform 23. Der Durchlaß 16b wird durch die Dichtungsplatte 26 und den Dichtungsabschnitt 12b auf einer Seite der feststehenden Schaufel gebildet. Ein Verwirbelungselement 70 ist in den Luftdurchlässen 19A bis 19F der feststehenden Schaufel 10 angeordnet, um einen Kühlluftstrom mit Turbulenzen zu versehen und die Wärmeübertragungsrate zu verbessern.
Bei der obigen Ausführungsform wird der Rotor mit Dampf gekühlt, und es ist ein Dampfhohlraum 200 vorgesehen. Der Rotor wird mit dem Dampf aus dem Dampfhohlraum 200 gekühlt. Die feststehende Schaufel 10 und die sich drehende Schaufel 20 werden mit Luft gekühlt. Ein Teil der Luft 101 fließt zunächst aus dem äußeren Deckband 11 durch den Durchlaß 19A auf einer Vorderkantenseite in das Innere der feststehenden Schaufel. Diese Luft kühlt die Vorderkante und wird zum Hohlraum 14 nach draußen geblasen, strömt durch das Luftloch 17 des Dichtkörpers 15 sowie durch den Durchlaß 16a mit einem Druck, der gleich einem vorbestimmten Druck oder höher ist. Dann strömt die Luft durch den Dichtungsabschnitt 12a und fließt teilweise zur Seite eines Hochtemperaturgasdurchlasses hinaus. Damit wird eine Rotorseite des Brenngasdurchlasses bei einem Druck gehalten, der höher als der Druck des Brenngasdurchlasses durch diese Luft 101 zum Abdichten ist, so daß das Eindringen eines Hochtemperaturgases auf der Rotorseite des Brenngasdurchlasses verhindert wird.
Der verbleibende Teil der Luft 101 strömt in den Durchlaß 19B und wird im Durchlaß 19C von einem unteren Abschnitt des Durchlasses 19B her nach oben bewegt. Eine Serpentinen-Kühlung wird durchgeführt, während der verbleibende Teil der Luft 101 nacheinander durch die Durchlässe 19D, 19E und 19F strömt und von einer Hinterkantenseite teilweise abgegeben wird. Nach dieser Kühlung strömt die Luft mit einer hohen Temperatur durch den Durchlaß 16b und fließt aus dem Dichtungsabschnitt 12b zu einem Gasstromdurchlaß auf der Hinterkantenseite.
Im Gegensatz dazu strömt die Kühlluft 100 vom äußeren Deckband 11 in das Luftrohr 13 und durch das Rohr 13a, das kontinuierlich mit einem unteren Abschnitt des Luftrohrs 13 verbunden ist. Die Kühlluft 100 tritt ferner durch den Kühlluftdurchlaß 18 in die Kühlluftkammer 24 ein und bleibt als Kühlluft bei hohem Druck und niedriger Temperatur. Die Kühlluft, welche in die Kühlluftkammer 24 einströmt, fließt ferner durch das Radialloch 25 auf der Seite der sich drehenden Schaufel in den Luftspeicher 27 und wird von der Plattform 23 einem Luftdurchlaß zur Kühlung zugeführt, der in einer nicht dargestellten, sich drehenden Schaufel 20 angeordnet ist, und kühlt die sich drehende Schaufel 20.
Bei der zuvor erwähnten Ausführungsform wird die Luft zur Kühlung der sich drehenden Schaufel nur von dem in der feststehenden Schaufel 10 angeordneten Luftrohr 13 und dem Rohr 13a zugeführt. Das Luftrohr 13 und das Rohr 13a bilden einen unabhängigen Weg. Daher wird die Luft zur Kühlung der sich drehenden Schaufel direkt der sich drehenden Schaufel 20 zugeführt, während der hohe Druck und die niedrige Temperatur der Luft beibehalten werden. Dadurch kann die sich drehende Schaufel 20 wirksam gekühlt werden.
Die Luft 101 zu Abdichten in dem Hohlraum 14 wird unabhängig aus dem Durchlaß 19A an einer Vorderkante geliefert. Die durch diesen Durchlaß 19A strömende Luft 101 kühlt einen Vorderkantenabschnitt und wird dann zum Abdichten verwendet. Daher kann die Luft 101 sowohl zum Abdichten als auch zur Kühlung verwendet werden, so daß die Luft effektiv genutzt werden kann.
Beim Schaufel-Kühlluftzufuhrsystem nach der ersten Ausführungsform mit diesen Merkmalen kann die Luft auch den Schaufeln, im Falle einer Gasturbine insbesondere der sich drehenden Schaufel 20, zur Kühlung des Rotors mit Dampf zugeführt werden. Somit können die Schaufeln mit Luft gekühlt werden.

Claims

Kühlluftzufuhrsystem für die Schaufeln einer Gasturbine, die mehrere sich drehende Schaufeln (20), welche jeweils über einen Schaufelwurzelabschnitt (22) an einem Rotor befestigt sind, und mehrere feststehende Schaufeln (10) umfaßt, die abwechselnd mit den sich drehenden Schaufeln so angeordnet sind, daß jede feststehende Schaufel äußere (11) und innere (12) Deckbänder, einen Hohlraum (14) zur Abdichtung in einem unteren Abschnitt des inneren Deckbandes und in einem unteren Abschnitt des Hohlraums einen Dichtkörper (15) zur Abdichtung aufweist, wobei das System umfaßt: ein Luftrohr (13), das vom äußeren Deckband zum inneren Deckband durch jede der feststehenden Schaufeln hindurchläuft und in den Dichtkörper (15) eingesetzt ist, einen Abschnitt (24, 25, 27) zum Einbringen von Kühlluft (100) auf der Seite der sich drehenden Schaufeln, der im Schaufelwurzelabschnitt jeder sich drehenden Schaufel (10) angeordnet und dazu eingerichtet ist, Kühlluft zu jeder sich drehenden Schaufel zu leiten, und einen Kühlluftdurchlaß (18), der im Dichtkörper angeordnet ist und mit dem Luftrohr (13) in Verbindung steht sowie sich zu einem Einlaß des Abschnittes (25) zum Einbringen von Kühlluft auf der Seite der sich drehenden Schaufeln hin öffnet, so daß Kühlluft (100), die dem Luftrohr (13) zugeführt wird, durch den Kühlluftdurchlaß (18) des Dichtkörpers (15) hindurch zum Einlaß des Abschnittes (25) zum Einbringen von Kühlluft auf der Seite der sich drehenden Schaufeln fließt und von dort zu jeder sich drehenden Schaufel (20) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte Kühlluft (100), die dem Luftrohr (13) von einer Seite des äußeren Deckbandes der feststehenden Schaufel (20) her zugeführt wird, der sich drehenden Schaufel (20) zugeführt wird, während Kühlluft (101), die einem Durchlaß (19A) am Vorderkantenabschnitt jeder feststehenden Schaufel (10) zugeführt wird, als Luft zum Abdichten dem Hohlraum (14, 16) jeder feststehenden Schaufel nach dem Abkühlen eines Vorderkantenabschnittes der feststehenden Schaufel zugeführt wird.
Schaufel-Kühlluftzufuhrsystem nach Anspruch 1, bei dem das Luftrohr (13) über eine Leitung (13a) hermetisch mit dem Kühlluftdurchlaß (18) verbunden ist.
Schaufel-Kühlluftzufuhrsystem nach Anspruch 2, bei dem die Leitung (13a) durch den Hohlraum (14) hindurchläuft.
Schaufel-Kühlluftzufuhrsystem nach Anspruch 2, bei dem die Leitung (13a) durch den Hohlraum (14) hindurchläuft.
Schaufel-Kühlluftzufuhrsystem nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, bei dem der Abschnitt (24, 25, 27) zum Einbringen von Kühlluft auf der Seite der sich drehenden Schaufeln zumindest teilweise in einem Schaufelwurzelabschnitt (22) des Rotors ausgebildet ist (25).