DE69833811T2

DE69833811T2 - Luftgekühlte Gasturbine

Info

Publication number: DE69833811T2
Application number: DE69833811T
Authority: DE
Inventors: Manabu Matsumoto; Shinya 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: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2018-10-17
Also published as: EP0909878A2; US6185924B1; EP0909878A3; DE69820952D1; EP1428984A3; EP1428984B1; EP0909878B1; DE69820952T2; DE69829892D1; EP0909878B9; EP1329590A3; DE69833811D1; EP1329590A2; EP1428984A2; DE69829892T2; EP1329590B1

Description

Hintergrund der Erfindung
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 einer Kühlmittelsammel-Gasturbine mit Luftkühlung, bei der Bewegungsschaufeln gekühlt werden, indem ein Teil der für die Verbrennung verdichteten Luft verwendet wird, und die Luft nach dem Kühlen in einer Brennkammer gesammelt wird, ist es weiterhin notwendig, einen Sammeldruck auf wenigstens einen Auslassdruck des Verdichters zu erhöhen. Deshalb wird das Kühlmittel durch einen Zusatzverdichter unter Druck gesetzt, bevor es zugeführt wird. Aufgrund der hohen Temperatur führt eine Erhöhung des Durchsatzes des Kühlmittels jedoch zwangsläufig zu einer Erhöhung der Verdichtungsleistung des Zusatzverdichters, so dass er den Wirkungsgrad des gesamten Gasturbinensystems stark beeinflusst. Um einen erwarteten hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es deshalb notwendig, einen Strömungswegaufbau zu konstruieren, der einen Druckverlust des Kühlmittels, das im Inneren des Rotors strömt, stark reduzieren kann. Diese Punkte sind nirgendwo im Stand der Technik berücksichtigt.
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, 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 möglich 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.
In der JP 07 189739 A ist eine Gasturbine offenbart, die eine Verbrennungsgas erzeugende Verbrennungskammer und eine Vielzahl von Bewegungsschaufeln umfasst, die in einem Verbrennungsgasströmungsweg angeordnet sind und durch ein Kühlmittel gekühlt werden. Eine Scheibe trägt die Vielzahl der Bewegungsschaufeln. Ein Distanzstück weist ein Ende auf, das mit der Scheibe verbunden ist. Das andere Ende ist mit einem Kompressor verbunden, der Verbrennungsluft verdichtet. An Verbindungsabschnitten ist ein Kühlmittelsammelströmungsweg zur Sammlung des Kühlmittels nach Kühlung der Bewegungsschaufeln vorgesehen. Ein Zufuhrweg für Kühlungsluft für die Bewegungsschaufeln ist über einen Hohlraum an der Mitte des Turbinenrotors ausgebildet. Ein Weg, der mehr an der Außenumfangsseite als der Hohlraum angeordnet ist, damit Luft mit hoher Temperatur nach der Kühlung der Bewegungsschaufel außerhalb des Rotors strömen kann, wird von einem inneren Kanal gebildet, der an einem Distanzstück ausgebildet ist, wobei der Kühlmittelsammelströmungsweg durch die Scheibe führt.
Das Problem der Erfindung besteht darin, eine Gasturbine mit Kühlmittelsammlung bereitzustellen, die Wärmespannungen eines Rotorabschnitts ausreichend reduzieren kann, die durch Sammlung eines Kühlmittels für Bewegungsschaufeln verursacht werden, und die das Kühlmittel mit hohem Wirkungsgrad sammeln kann.
Dieses Problem wird durch eine Gasturbine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Anspruch 2 beansprucht.
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.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine Schnittansicht einer oberen Hälfte einer Gasturbine mit Kühlmittelsammlung, die nicht Teil der Erfindung ist, sondern einen für das Verständnis der Erfindung nützlichen technischen Hintergrund darstellt,
2 ist eine Ansicht entlang einer Linie X-X von 1,
3 ist eine Ansicht entlang einer Linie Y-Y von 1,
4 ist eine vertikale Schnittansicht eines Teils einer weiteren Gasturbine, die nicht Teil der Erfindung ist, sondern einen für das Verständnis der Erfindung nützlichen technischen Hintergrund darstellt,
5 ist eine vertikale Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise,
6 ist ein Schnitt längs der Linie X-X von 5,
7 ist eine vergrößerte Ansicht längs der Linie Y-Y von 5,
8 ist eine Ansicht eines für die Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise nach der vorliegenden Ausgestaltung verwendeten Sammlers,
9 ist eine Ansicht längs der Linie W-W von 8,
10 ist eine vertikale Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung,
11 ist eine Teilschnittansicht längs der Linie U-U von 10,
12 ist eine vertikale Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
13 ist eine Schnittansicht längs der Linie V-V von 12.
1 zeigt eine Teilkonstruktion einer oberen Hälfte einer 4-Stufen-Gasturbine mit geschlossenem Luftkreislauf. In 1 umfasst die Gasturbine ein Gehäuse 1, einen in dem Gehäuse 1 angeordneten Verdichter 2 zum Verdichten von Luft und Fördern verdichteter Luft, eine Brennkammer 3 zum Mischen von verdichteter Luft und Kraftstoff und zum Verbrennen des Gemischs, eine Turbine 50 mit Düsen 4, Bewegungsschaufeln 5, einem Turbinenrotor 6 usw., einem Lager 8 und einer Abgasleitung 9. Die Bewegungsschaufeln 5 werden an dem Außenumfang des Turbinenrotors 6 gehalten. Kühlströmungswege 51 sind im Inneren der Bewegungsschaufeln der ersten bis dritten Stufe ausgebildet, und die Form jedes Kühlströmungswegs 51 ist unterschiedlich, je nach Wärmebeanspruchung, um eine Wärmebelastung des Verbrennungsgases auszuhalten, das in dem Gasweg 91 strömt.
Der Turbinenrotor 6 umfasst 4 Scheiben 61a bis 61d, an denen jeweils Bewegungsschaufeln angebracht sind, 3 Abstandhalter 62a bis 62c und eine Welle 63, und sie sind durch Bolzen mit einer Nabe verbunden. Der Turbinenrotor 6 ist durch ein Abstandsstück 64 mit einem Rotor des Verdichters 2 verbunden. Zentrale Öffnungen 65a bis 65d sind in dem Abstandsstück 64, den Scheiben 61a, 61b der ersten Stufe bzw. der zweiten Stufe und der Welle 3 ausgebildet. Scheiben der dritten Stufe und der vierten Stufe sind jeweils massiv.
An der Nabe des Rotors ist eine Vielzahl von Haupt-Zufuhrströmungswegen 66, die jeweils axial durch die erste bis vierte Scheibe laufen, und eine Vielzahl von Haupt-Sammelströmungswegen 67, die durch das Abstandsstück 64, die Scheibe 61a der ersten Stufe und einen Halbstufen-Abstandhalter 62a (einen Abstandhalter zwischen der Scheibe der ersten Stufe und der Scheibe der zweiten Stufe) laufen, in Umfangsrichtung angeordnet. Ein Ende jedes Haupt-Zufuhrströmungsweges 66 ist an einer stromabwärtigen Seite durch einen Innenhohlraum 68d an der stromabwärtigen Seite der vierten Scheibe 61d und einen Zufuhrschlitz 70c mit der zentralen Öffnung 65 der Welle verbunden, und ein Ende jedes Haupt-Sammelströmungswegs 67 öffnet in einen Radraum 31a, der durch Verschlusseinrichtungen 32a und 32b geteilt ist.
Weiterhin sind an dem Naben-Verbindungsabschnitt des Abstandsstücks 64, der ersten und der zweiten Scheibe 61a, 61b und einem 2/3-Stufen-Abstandhalter 62b Zufuhrschlitze 70a und 70b gebildet, und an den Verbindungsabschnitten beider Seiten des Halbstufen-Abstandhalters 62a sind Sammelschlitze 71a und 71b ausgebildet. Ein Ende des Zufuhrschlitzes 70 und ein Ende des Sammelschlitzes 71 kommunizieren mit den Haupt- Zufuhrströmungswegen 66 bzw. den Haupt-Sammelströmüngswegen 67. Ihre anderen Enden kommunizieren mit dem Kühlströmungsweg 51 für Bewegungsschaufeln durch Hohlräume 69a bis 69d an der Außenseite der Nabe und einer Zufuhröffnung 72 und einer Sammelöffnung 73 an dem Außenumfangsabschnitt der Scheibe.
Weiterhin ist an dem Nabenverbindungsabschnitt des 2/3-Stufen-Abstandhalters und der Scheibe der dritten Stufe ein Gasabzugssystem-Schlitz 74, der sich radial erstreckt und mit einem inneren Hohlraum 68a und einem äußeren Hohlraum 69e der Nabe kommuniziert, ausgebildet.
Andererseits ist der Rotor des Verdichters 2 aus einer Vielzahl von Scheiben 22 zusammengesetzt, die jeweils am Außenumfang angebrachte Bewegungsschaufeln 21 aufweisen, und eine Luftabzugsöffnung 23 ist an einer Wurzel jeder Bewegungsschaufel einer bestimmten Stufe, die aus Zwischenstufen ausgewählt wird, gebildet. Die Scheiben an einer Vorderstufenseite der Luftabzugsöffnung 23 sind massiv, und die Scheiben an einer Hinterstufenseite der Luftabzugsöffnung 23 weisen jeweils eine darin ausgebildete zentrale Öffnung 28 auf, die eine Verbindungsöffnung ist, die Spalte zwischen den Scheiben verbindet, und die Luftabzugsöffnung 23 steht mit der zentralen Öffnung 28 durch einen äußeren Hohlraum 24 der Nabe, eine Vielzahl von Schlitzen 26 und einen inneren Hohlraum 27 in Verbindung. Weiterhin stehen die äußeren Hohlräume 24 an der Außenseite der Nabe durch Verbindungsöffnungen 25, die Verbindungsströmungswege sind, miteinander in Verbindung.
2 zeigt eine Ansicht, die von X-X aus 1 gesehen ist, wobei die Haupt-Zufuhrströmungswege 66 und die Haupt-Sammelströmungswege 67 abwechselnd in einer Mitte zwischen einer Vielzahl von Bolzenöffnungen 75 angeordnet sind, die in einer Umfangsrichtung der Nabe angeordnet sind. Die Zahl der Zufuhröffnungen 72 und Sammelöffnungen, die am Außenumfang der Scheibe ausgebildet sind, ist gleich der Zahl der Bewegungsschaufeln.
3 zeigt eine Ansicht, die von Y-Y aus 1 gesehen ist, wobei die Gasabzugssystemschlitze 74 und die Haupt-Zufuhrströmungswege 66 in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind.
Ein Kühlmittel, das beim Starten der Gasturbine von einem Ende der Welle 63 des Turbinenrotors zugeführt wird, wird, wie durch einen Pfeil 92a gezeigt, in die Haupt-Zufuhrströmungswege 66 eingeführt, die in der Nabe ausgebildet sind, so dass es axial durch die Scheiben und Abstandhalter durch die zentrale Öffnung 65d der Welle 63, den Hohlraum 68b an der Rückseite der Scheibe der vierten Stufe und den Schlitz 70c läuft.
Ein Teil des Kühlmittels, das in die Haupt-Zufuhrströmungswege 66 eingeführt wird, wird durch den Schlitz 70, den Hohlraum 69d und die Zufuhröffnungen 72 an dem Außenumfangsabschnitt der Scheibe in die Bewegungsschaufeln der zweiten Stufe (wie durch einen Pfeil 92b gezeigt) zugeführt. Nach dem Kühlen der Bewegungsschaufeln wird das Kühlmittel durch die Sammelöffnungen an dem Außenumfangsabschnitt der Scheibe, den Hohlraum 69c an der Vorderseite der Scheibe und den Sammelschlitz 71b in die Haupt-Sammelströmungswege 67 eingeführt (wie durch einen Pfeil 92c gezeigt), in den Radraum 31a von der Auslassöffnung 76 der Abstandsstück-Nabe gefördert und anschließend in der Brennkammerseite durch Sammelöffnungen 33 einer Innentrommel gesammelt. Das gesammelte Kühlmittel wird zusammen mit von dem Verdichter geförderter Luft in die Brennkammer zugeführt.
Übrig bleibendes Kühlmittel, mit Ausnahme des Kühlmittels für die Bewegungsschaufeln der zweiten Stufe, wird durch den Zufuhrschlitz 70a an der Vorderseite der Schaufel der ersten Stufe, den Hohlraum 69a und Zufuhröffnungen 72 an dem Außenumfangsabschnitt der Scheibe der ersten Stufe in die Kühlmittelströmungswege 51 der Bewegungsschaufeln 5 der ersten Stufe zugeführt (wie durch einen Pfeil 92d gezeigt). Nach dem Kühlen der Bewegungsschaufeln wird das Kühlmittel durch die Sammelöffnungen 73 an der Rückseite der Scheibe, den Hohlraum 69b und den Sammelschlitz 71a des Verbindungsabschnitts der Nabe in den Haupt-Sammelströmungsweg 67 eingeführt (wie durch einen Pfeil 92e gezeigt) und wird ähnlich wie bei der Kühlung der Bewegungsschaufel der zweiten Stufe durch die Auslassöffnung 76 und den Radraum 31a in der Brennkammerseite gesammelt. D.h. das Kühlmittel für die Bewegungsschaufeln der ersten Stufe strömt so, dass es um die Außenseite der Scheibe zirkuliert, und Kühlmittel von den 2 Zufuhr- und Sammelsystemen laufen durch die Nabe.
Andererseits wird das Kühlmittel, das aus der Luftabzugsöffnung 23 des Außenumfangsabschnitts des Verdichters an einem Zwischenstufenabschnitt abgezogen wurde, durch die Verbindungsöffnungen 25 annähernd gleichmäßig auf Hohlräume 24 an der stromabwärtigen Seite der Außenseite der Nabe verteilt, und anschließend werden die verteilten Kühlmittel in der zentralen Öffnung der Scheibe durch den Schlitz 26 und Hohlräume 27 an der Innenseite der Nabe vereinigt. Das vereinigte Kühlmittel strömt durch die zentrale Öffnung 65a des Abstandsstücks (wie durch einen Pfeil 93a gezeigt) in den zentralen Abschnitt des Turbinenrotors. Im Inneren des Turbinenrotors wird das Kühlmittel in den Kühlwegen in den Bewegungsschaufeln der dritten Stufe durch die zentralen Öffnungen 65b, 65c der Scheibe, den Hohlraum 68a, den Gasabzugssystem-Schlitz 74 und den Hohlraum 69e des Naben- Außenumfangs (wie durch einen Pfeil 98a gezeigt) zugeführt, kühlt diese Bewegungsschaufeln und wird anschließend in den Gasweg 91 gefördert (wie durch einen Pfeil 93b gezeigt).
Wie oben erwähnt, ist bei dem Aufbau eines Kühlmittelzufuhrsystems im Inneren des Rotors, bei dem ein Kühlmittel von dem Wellenende zugeführt wird, und eines Kühlmittelabzugsystems, bei dem ein Kühlmittel von dem Verdichter zugeführt wird, die Nabe, die in der Mitte des Radius des Rotors angeordnet ist, als axialer Kühlmittelweg für Bewegungsschaufeln ausgebildet, Verbindungswege mit der Bewegungsschaufel sind in der radial außen liegenden Seite der Nabe ausgebildet, die Begrenzungen für das Abzugskühlmittel, das von dem Verdichter abgezogen wird, sind in der radial innen liegenden Seite der Nabe ausgebildet, und der Wellenend-Zufuhrströmungsweg 68b und der Luftabzugs-Strömungsweg 68a sind durch eine massive Scheibe 61d der letzten Stufe geteilt, wodurch 3 Systeme für Zufuhr, Sammlung und Luftabzug auf einfache Art gebildet werden, ohne miteinander verbunden zu sein.
Weiterhin sind die Hauptströmungswege für Zufuhr und Sammlung von Kühlmittel für Bewegungsschaufeln in dem Nabenabschnitt ausgebildet, der die Scheiben, Wellen usw. verbindet, der Haupt-Zufuhrströmungsweg ist mit der Zufuhröffnung des Wellenendes verbunden, und der Haupt-Sammelströmungsweg öffnet zu dem Radraum an der Seite der ersten Stufe. Weiterhin sind der Zufuhrschlitz und der Sammelschlitz an dem Verbindungsabschnitt der Nabe ausgebildet, so dass eines ihrer Enden mit dem Haupt-Zufuhr- bzw. dem Haupt-Sammelströmungsweg verbunden ist. Weiterhin sind Schlitze ausgebildet, die mit der zentralen Öffnung der oben genannten Scheibe an dem Naben-Verbindungsabschnitt der Scheibe der dritten Stufe kommunizieren, wobei die Bewegungsschaufeln der dritten Stufe an der Seite der letzten Stufe der Bewegungsschaufeln mit Kühlmittelströmungswegen versehen sind.
Bei diesem Aufbau wird das Kühlmittel, das von der oben genannten Wellenendöffnung zugeführt wird, vor der dritten Stufe durch den Haupt-Zufuhrströmungsweg und Zufuhrschlitze in die Bewegungsschaufeln eingeführt, das Kühlmittel wird nach dem Kühlen durch den Sammelschlitz und den Haupt-Sammelströmungsweg in der Brennkammerseite gesammelt. Weiterhin wird verdichtete Luft mit einer mittleren Temperatur zwischen dem oben genannten Zufuhrkühlmittel und Sammelkühlmittel von dem Verdichter abgezogen, diese Luft wird durch die zentrale Öffnung der Scheibe und den Schlitz einer Scheibe der n-ten Stufe den Bewegungsschaufeln der dritten Stufe zugeführt.
Dadurch wird die Nabe, die in einer Mitte des Radius des Rotors angeordnet ist, zu einem axialen Kühlmittelweg für Bewegungsschaufeln, Verbindungswege mit der Bewegungs schaufel sind in der radial außen liegenden Seite der Nabe ausgebildet, die Begrenzungen des Abzugskühlmittels von dem Verdichter sind in der radial innen liegenden Seite der Nabe ausgebildet, und der Wellenend-Zufuhrströmungsweg 68b und der Luftabzugs-Strömungsweg 68a sind durch eine massive Scheibe 61d der letzten Stufe getrennt, wodurch 3 Zufuhr-, Sammel- und Luftabzugssysteme auf einfache Art gebildet werden können, ohne miteinander verbunden zu sein, zusätzlich dazu können eine Reduzierung der Wärmebeanspruchung während eines gleichmäßigen und ungleichmäßigen Betriebs des oben genannten Rotors, eine Kühlung des Verdichterrrotors, eine Sammlung des Kühlmittels usw. wirksam werden.
Obwohl bekannt ist, dass vor dem Eintreten in die zentrale Öffnung starker Druckverlust durch Wirbelströme entsteht, ist der Druckverlust in der zentralen Öffnung des Rotors gering, weil eine Strömung in der zentralen Öffnung nicht Teil des Strömungswegaufbaus für das von dem Wellenende zugeführte Kühlmittel ist, und eine verstärkte Verdichtungskraft für das Kühlmittel kann auf einen minimalen Wert reduziert werden.
Weiterhin werden der Wellenend-Zufuhrabschnitt, der Verbindungsabschnitt zwischen der Scheibe am Außenumfang des Hohlraums 68 an der Außenseite und dem Abstandhalter, der Einpassabschnitt der Scheibe und der Bewegungsschaufeln, der Abdichtungsabschnitt 32b des Radraums 31a usw. als Undichtigkeitsabschnitte der Strömungsleitungen betrachtet, an denen Undichtigkeiten auftreten können, jedoch kann eine Undichtigkeit der Verbindungsabschnitte und Einpassabschnitte durch Abdichten der Kontaktflächen verhindert werden, und zusätzlich kann das Kühlmittel, das aus dem Abdichtungsabschnitt 32b austritt, als Abdichtluft verwendet werden, um ein Austreten von Verbrennungsgas aus dem Gasweg in den Radraum 31b zu verhindern, so dass das meiste von dem Wellenende zugeführte Kühlmittel wirksam gesammelt werden kann.
Da die radiale Position der Auslassöffnung 76 auf ½ oder weniger gesetzt werden kann, kann ein Pumpleistungsverlust, der mit dem Fördern des Kühlmittels einhergeht, auf ¼ oder weniger reduziert werden.
Indem bewirkt wird, dass das von dem Verdichter abgezogene Kühlmittel parallel in den Strömungswegen 24 bis 28 strömt, die in den Seitenflächen der Scheiben ausgebildet sind, und indem das Kühlmittel durch das Abstandsstück 64 in den zentralen Abschnitt des Turbinenrotors 6 eingeführt wird, ist es möglich, Scheiben hoher Stufen des Verdichters gleichmäßig zu kühlen, zusätzlich kann das Abstandsstück, das durch das Sammelkühlmittel vom Außenumfang erwärmt wird, von innen gekühlt werden. Deshalb ist eine Konstruktion möglich, bei der ein Verdichter-Förderdruck erhöht wird, ohne die Hitzebeständigkeit des Rotor materials wesentlich zu erhöhen. Wenn die Temperatur des abgezogenen Kühlmittels auf eine mittlere Temperatur zwischen dem Wellenend-Zufuhrkühlmittel und dem Sammelkühlmittel gesetzt wird, wird weiterhin ein Niedrigtemperaturabschnitt um den Wellenend-Hauptzufuhrströmungsweg 66, der in der Nabe ausgebildet ist, erwärmt, und ein Hochtemperaturabschnitt um den Haupt-Sammelströmungsweg 67 wird gekühlt, wodurch eine Funktion der Abschwächung von hohen und niedrigen Temperaturen bei der Rotortemperaturverteilung betrieben wird und die Wärmebeanspruchung reduziert wird.
Da das abgezogene Kühlmittel nicht gesammelt oder entfernt werden muss, kann außerdem eine verstärkte Verdichtungsleistung erzielt werden, und es kann der Vorteil erreicht werden, dass die Größe des Verdichters klein sein kann.
Weiterhin tritt in den zentralen Öffnungen der Scheiben der oben erwähnte Druckverlust durch Wirbelströmungen vor dem Eintreten in die zentrale Öffnung auf, wobei der Druckverlust stark von einem Durchsatz abhängt, da sich der Durchsatz jedes Strömungswegs jedoch verringert, indem das abgezogene Kühlmittel in eine Vielzahl von Strömungswegen zwischen den Scheiben aufgeteilt wird, verringert sich ein damit einhergehender Druckverlust, und ein ausreichender Zufuhrdruck auf die Bewegungsschaufeln der dritten Stufe kann sichergestellt werden.
Da Verbrennungsgas mit hoher Temperatur zur gleichen Zeit in dem Gasweg strömt, wenn beim Starten der Gasturbine eine Zündung stattfindet, steigt die Temperatur der Außenumfangsseite des Rotors rasch an, im Zusammenhang mit dem Einfluss einer Wärmebelastung von dem Gasweg und einem Wärmeleitbereich. Deshalb tritt an dem zentralen Abschnitt des Rotors, an dem die Temperatur langsam ansteigt, außerdem eine größere Beanspruchung als während eines gleichmäßigen Betriebs auf, da bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch die von dem Verdichter abgezogene Luft gleichzeitig mit dem Start in den zentralen Abschnitt des Rotors strömt, und da der Abschnitt gleichmäßig erwärmt wird, kann sogar bei der Reduzierung ungleichmäßiger Wärmebeanspruchung zum Startzeitpunkt eine große Wirkung erzielt werden. Weiterhin können, wie bei dem von dem Wellenende zugeführten Kühlmittel, Durchsatz, Temperatur usw. außerhalb der Vorrichtung gesteuert werden, so dass es auch möglich ist, ungleichmäßige Wärmebeanspruchung des Rotors durch eine Zufuhrverzögerungseinrichtung usw. auf einen minimalen Wert zu steuern.
Der Grund, weshalb ein Kühlmittel für die Bewegungsschaufeln der ersten Stufe von der Vorderseite der Scheibe zugeführt wird, ist die Kühlung der Nabe der Scheibe der ersten Stufe und deren Vorderseite, indem das Kühlmittel mit niedriger Temperatur zu der Nabe und der Vorderseite strömt, wodurch eine Temperatur des Abstandsstücks 64 und eine Temperatur der Nabe etwa gleich einer Durchschnittstemperatur des Zufuhrkühlmittels und Sammelkühlmittels wird, und der Temperaturanstieg kann auf eine niedrige Temperatur reduziert werden, im Vergleich zu dem Fall, wenn nur ein Sammelkühlmittel in die Nabe strömt, indem das Kühlmittel von der Rückseite zugeführt wird. Durch diesen Einfluss steigt die Temperatur der Außenseite des Halbstufen-Abstandhalters bis nahe an die Temperatur des Sammelkühlmittels, jedoch wird kein Temperaturgradient in axialer Richtung gebildet, der Außenumfang und die Nabe werden durch Abdichtluft bzw. Zufuhrkühlmittel zum Kühlen der ersten Stufe gekühlt, und eine Zentrifugallast des Abstandhalters ist kleiner als die der Scheibe, die von der Zentrifugallast der Bewegungsschaufeln belastet wird, so dass ein Problem aufgrund der Beanspruchung geringer ist als bei der Scheibe.
Durch Zuführen eines Kühlmittels in den Kühlströmungsweg 51 im Inneren der Bewegungsschaufel von der Vorderseite wird ein Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmittel und dem Verbrennungsgas, das in dem Gasweg 91 strömt, für eine Kühlung wirksam gebildet, so dass es sogar zum Steigern des Kühlungswirkungsgrads von Bewegungsschaufeln wirksam ist.
Wenn der Aufbau der Strömungswege vom Standpunkt des Druckverlusts betrachtet wird, wird die Strömungsweglänge einer Bahn von dem Wellenende zu der Brennkammer unter Umgehung der Kühlströmungswege für Bewegungsschaufeln so gebildet, dass sie extrem kurz ist, und der Strömungsweg wird so gebildet, dass er den Zentralöffnungs-Strömungsweg umgeht, dessen Druckverlust sehr hoch ist. Deshalb ist der Druckverlust der Bahn gering, und die verstärkte Verdichtungsleistung des Kühlmittels kann auf ein Minimum reduziert werden.
In der zentralen Öffnung 28 der Verdichterscheiben verstärkt sich jedoch eine Wirbelgeschwindigkeit von Wirbelströmen in der Bahn, in der das Kühlmittel, das aus dem Schlitz 26 der Nabe strömt, nach innen in den Hohlraum 27 strömt, wobei die Wirbelgeschwindigkeitsenergie in der Bahn der axialen Strömung in der zentralen Öffnung verschwindet, wodurch ein Druckverlust verursacht wird, da bei dieser Ausführungsform der Kühlmittelstrom jedoch in viele Strömungswege unterteilt ist und ein Durchsatz des Kühlmittels in jedem der geteilten Strömungswege klein gemacht wird, schwächt sich eine Wirbelkomponente des Kühlmittelstroms durch Reibung an der Wandfläche ab, wenn das Kühlmittel in den Hohlraum 27 strömt. Daher ist der Druckverlust in der zentralen Öffnung gering. Entsprechend kann auf einer Hochstufenseite ein ausreichender Zufuhrdruck auf die Bewegungsschaufel der dritten Stufe gewährleistet werden, unabhängig von der Luftabzugsstufe.
In dem Fall, wenn keine Luft als Kühlmittel von dem Verdichter abgezogen wird, obwohl angenommen wird, dass es besonders wirksam ist, den entstandenen Verlust zu reduzieren, indem eine Gesamtmenge eines Kühlmittels für Bewegungsschaufeln gesammelt wird und das gesammelte Kühlmittel in den Gasweg gefördert wird, ist es jedoch außerdem nötig, beim Strömungswegaufbau eine verstärkte Verdichtung der Gesamtmenge an Kühlmittel zu bewirken. Im Gegensatz dazu sinkt bei der vorliegenden Ausführungsform, da das Kühlmittel für die Bewegungsschaufeln der dritten Stufe in den Gasweg ausgelassen wird, der Wirkungsgrad der Gasturbine entsprechend dieser Auslassmenge, da jedoch eine Verstärkung der Verdichtungsleistung unnötig ist, da das Kühlmittel gleich ist, kann ein Verlust aufgrund des Auslasses ausgeglichen werden.
Mit dem Aufbau gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann eine ausgezeichnete Kühlung bewirkt werden, während eine Menge Kühlmittel, die zur Verdichtung nötig ist, auf eine kleine Menge reduziert werden kann und die erforderliche Energie verringert werden kann.
Wie aus der Kühlmittelbahn für die Bewegungsschaufeln der ersten Stufe und die Bewegungsschaufeln der zweiten Stufe zu ersehen ist, ist ein Bereich, der dem Sammelkühlmittel mit hoher Temperatur in dem Turbinenrotor ausgesetzt ist, auf einen schmalen Bereich begrenzt, der mit A bezeichnet ist und radial außerhalb der Nabe und der Vorderseite der Scheibe der zweiten Stufe liegt. Jedoch ist etwa eine Hälfte einer von Kühlmittel feuchten Fläche in dem Bereich einem Zufuhrkühlmittel mit niedriger Temperatur ausgesetzt.
Da das von dem Verdichter abgezogene Kühlmittel in dem Bereich B von dem Verdichterrotor zu dem zentralen Abschnitt des Turbinenrotors strömt, sind andererseits Elemente in dem Bereich B der Atmosphäre des Kühlmittels von abgezogener Luft ausgesetzt. Ein Bereich C von dem 2/3-Stufen-Abstandhalter zu der Rückseite der Scheibe der dritten Stufe ist einem Zufuhrkühlmittel und einem Kühlmittel von abgezogener Luft ausgesetzt, und der verbleibende Bereich D in der Rückseite des ¾-Stufen-Abstandhalters ist hauptsächlich einem Zufuhrkühlmittel mit niedriger Temperatur ausgesetzt.
In einem Fall, wenn beispielsweise ein Kühlmittel mit 230°C von dem Wellenende zugeführt wird und verdichtete Luft mit 370°C von dem Verdichter abgezogen wird, beträgt die Temperatur eines Sammelkühlmittels nach dem Kühlen der Bewegungsschaufeln 450–500°C im Fall einer Gasturbine der 1.500°C-Klasse. Dadurch wird eine Durchschnittstemperatur der Elemente in dem Bereich A, der dem Zufuhrkühlmittel und dem Sammelkühlmittel ausgesetzt ist, auf 340–365°C erhöht, was ein Durchschnitt des Zufuhrkühlmittels und des Sammelkühlmittels ist, und die Temperatur der Elemente in dem Bereich D, der nur dem Zufuhrkühlmittel ausgesetzt ist, wird auf 220°C erhöht, was nahe an der Zufuhrkühlmitteltemperatur liegt.
Andererseits steigt die Temperatur von Elementen in dem Bereich B, in dem das Abzugsluftkühlmittel strömt, auf eine Temperatur nahe an der Abzugsluftkühlmitteltemperatur von 370°C, und die Temperatur von Elementen in dem Bereich C steigt auf etwa 300°C einer Durchschnittstemperatur des Abzugsluftkühlmittels und des Zufuhrkühlmittels. Da das Abstandsstück am Außenumfang durch das Sammelkühlmittel und am Innenumfang durch das Abzugsluftkühlmittel erwärmt wird, wird außerdem die Temperatur des Abstandsstücks auf 410–430°C einer Durchschnittstemperatur beider Kühlmittel erhöht.
D.h. wenn ein Wellenend-Zufuhrkühlmittel von 230°C und abgezogene Verdichterluft von 370°C als Kühlmittel zum Kühlen der Bewegungsschaufeln verwendet werden, ist es möglich, Kühlmittelströmungswege im Inneren des Rotors zu konstruieren, durch die eine Rotor-Durchschnittstemperatur etwa 430°C oder weniger wird.
Weiterhin ändert sich eine Temperaturverteilung der Nabe in axialer Richtung so, dass die Temperatur in den Bereichen A, C und D in der genannten Reihenfolge sinkt, und ein Unterschied zwischen hohen und niedrigen Temperaturen ist gering, sogar wenn teilweise Änderungen in jedem Bereich stattfinden, was wirksam ist, um einen minimalen Unterschied bei der radialen Verlängerung des Nabenverbindungsabschnitts zu bewirken und die Beanspruchung in dem Einpassabschnitt zu reduzieren.
Deshalb kann, obwohl die maximale zentrifugale Beanspruchung aufgrund der Hochgeschwindigkeitsrotation in dem zentralen Scheibenabschnitt auftritt, die oben genannte zentrifugale Beanspruchung durch die thermische Ausdehnung abgeschwächt werden, indem die Temperatur des zentralen Scheibenabschnitts höher gemacht wird als die der radial außen liegenden Seite. Die Temperatur des Nabenabschnitts wird etwa eine mittlere Temperatur des Zufuhrkühlmittels und des Sammelkühlmittels, wie oben erwähnt, so dass der zentrale Rotorabschnitt durch das Sammelkühlmittel erwärmt wird und seine Temperatur höher wird als die der Nabe, indem die Temperatur der von dem Verdichter abgezogenen Luft höher als die mittlere Temperatur gemacht wird. Deshalb kann eine Beanspruchung reduzierende Wirkung in diesem Abschnitt erzielt werden, indem eine geeignete Temperatur des Abzugsluftkühlmittels gewählt wird. Da die Temperatur einer abgezogenen Luft durch eine Position der Stufe der Luftabzugsöffnung 23 bestimmt wird, sollte für den Aufbau von im Inneren des Rotors ausgebildeten Kühlmittelströmungswegen in diesem Fall eine Abzugsstufe gewählt werden, an der eine Wirkung der Reduzierung der Wärmebeanspruchung am höchsten ist.
Weiterhin ist bei der vorliegenden Ausführungsform die von einem Pfeil 93 gezeigte Abzugsbahn in der Vorderseite der Scheibe der dritten Stufe ausgebildet, es ist jedoch auch mög lich, die Bahn um die zentrale Öffnung herum auszubilden und das Kühlmittel den Bewegungsschaufeln der dritten Stufe von der Rückseite zuzuführen. Der Grund, weshalb die Bahn in der Vorderseite ausgebildet ist, liegt darin, dass ein Hohlraum 68c ausgebildet wird, durch den ein Kühlmittel nicht zwischen Scheiben strömt und die Wärmebeanspruchung reduziert, die an den Seitenflächen des zentralen Abschnitts der vierten Scheibe 61d durch den Unterschied der Temperatur zwischen dem Wellelend-Zufuhrkühlmittel und dem Abzugsluftkühlmittel verursacht wird. In dem Fall, wenn der Unterschied der Temperatur zwischen dem Wellenend-Zufuhrkühlmittel und dem Abzugsluftkühlmittel gering gemacht werden kann, um die Wärmebeanspruchung des gesamten Rotors zu reduzieren, kann sogar, wenn die Abzugsluftbahn in der Rückseite der Scheibe der dritten Stufe ausgebildet ist, eine Wirkung gleichwertig mit der oben genannten erzielt werden.
Bei der oben erläuterten Ausführungsform dient das Einfügen der Abstandhalter zwischen den Scheiben der Reduzierung der Beanspruchung durch Verkürzen der axialen Erstreckung der Scheibennabe und des äußeren Umfangsrands, es ist jedoch möglich, die Abstandhalter wegzulassen, wenn die Stufenerstreckung der Turbine verkürzt werden kann.
4 zeigt eine Teilkonstruktion eines Turbinenrotors, in dem Kühlmittelströmungswege ohne Einfügung von Abstandhaltern ausgebildet sind. Der Rotor 10 ist aus Scheiben 11a bis 11d und einer Welle 63 zusammengesetzt und an der Seite der ersten Stufe durch ein Abstandsstück mit dem Verdichterrotor verbunden. Die Scheiben von der ersten Stufe bis zur dritten Stufe weisen jeweils eine zentrale Öffnung 19 auf, und die Scheibe der vierten Stufe ist massiv. Die Scheiben weisen am Außenumfang angeordnete Bewegungsschaufeln 5 auf, und insbesondere die Bewegungsschaufeln der ersten bis dritten Stufe werden von innen gekühlt.
Auch in diesem Fall können ein Haupt-Zufuhrströmungsweg 12 und ein Haupt-Sammelströmungsweg 13 der Nabe ebenso wie bei der oben genannten Ausführungsform gebildet sein. Da jedoch kein Abstandhalter vorhanden ist, sind die Zufuhrschlitze 14a, 14b, ein Sammelschlitz 15 und ein Verdichterabzugsluftsystem-Schlitz 16 zwischen den Nabenverbindungsabschnitten der Scheibe 11 ausgebildet, und insbesondere der Sammelschlitz 15 wird zum Sammeln sowohl von Kühlmittel für die Bewegungsschaufeln der ersten Stufe als auch für die Bewegungsschaufeln der zweiten Stufe verwendet.
Bei diesem Strömungswegaufbau wird ein Teil des Kühlmittels, das von dem Wellenende in den Haupt-Strömungsweg 12 zugeführt wird, durch den Zufuhrschlitz 14b und einen äußeren Hohlraum 17c zwischen Scheiben zu den Bewegungsschaufeln der zweiten Stufe zugeführt, und das restliche Kühlmittel wird von dem Zufuhrschlitz 17a zu den Bewegungsschaufeln der ersten Stufe durch die Vorderseite der Scheibe zugeführt. Nach dem Verbinden an dem Hohlraum 17b wird das Kühlmittel durch den Sammelschlitz 15 und den Haupt-Sammelströmungsweg 13 in der Brennkammerseite gesammelt. Andererseits strömt das von dem Verdichter abgezogene Kühlmittel durch das Abstandsstück in die zentrale Öffnung 19 des Turbinenrotors und wird durch den Hohlraum 18 in Inneren, den Abzugsluftsystemschlitz 16 und den Außenhohlraum 17d in die Bewegungsschaufeln der dritten Stufe zugeführt.
Auch in diesem Fall kann eine annähernd ähnliche Wirkung wie bei der oben genannten Ausführungsform bezüglich der Reduzierung gleichmäßiger und ungleichmäßiger Wärmebelastungen und eines Druckverlusts, der Kühlung des Verdichterrotors usw. erzielt werden, zusätzlich besteht der Vorteil, dass der Rotoraufbau selbst einfach konstruiert werden kann, indem die Abstandhalter weggelassen werden. Weiterhin ist es auch möglich, die Bewegungsschaufeln der dritten Stufe massiv und die anderen Bewegungsschaufeln hohl auszubilden.
Ein anderer Punkt aus 1 ist, dass keine solche Bahn gewählt wird, bei der das Kühlmittel, das in die zentrale Öffnung 65d strömt, durch den Hohlraum 68b an der Rückseite der Scheibe der vierten Stufe und den Schlitz 70c in den Haupt-Zufuhrströmungsweg 66 eingeführt wird, sondern die Bahn gewählt wird, bei der eine zentrale Öffnung in der Scheibe der vierten Stufe ausgebildet ist und das Kühlmittel, das in die zentrale Öffnung 65d strömt, durch die zentrale Öffnung der Scheibe 61d der vierten Stufe, den Hohlraum 68c, der zwischen den Scheiben der dritten und der vierten Stufe ausgebildet ist, und den Schlitz in den Haupt-Zufuhrströmungsweg 66 eingeführt wird.
Der konkrete Aufbau des oben genannten Rotors ist wie folgt. Ein Strömungsweg (ein erster Kühlmittelströmungsweg) für ein von dem Wellenende zugeführtes Kühlmittel nutzt eine zentrale Öffnung des Scheibenmittelpunkts als erste Durchgangsbahn, die so aufgebaut ist, dass sie an der Achse durch die Scheibe der vierten Stufe verläuft. Weiterhin sind ein Hohlraum und ein Schlitz (erste Verbindungsbahn) ausgebildet, die zwischen der Scheibe der vierten Stufe und der angrenzenden Scheibe der dritten Stufe ausgebildet sind, so dass das Kühlmittel, das in die oben genannte zentrale Öffnung strömt, in Außenumfangsrichtung strömt. Das Kühlmittel, das in der oben genannten Verbindungsbahn strömt, wird in den Haupt-Zufuhrströmungsweg 66 zugeführt (zweite Durchgangsbahn). Das Kühlmittel, das in dem Haupt-Strömungsweg 66 strömt, wird durch den Zufuhrschlitz 70a in den Kühlmittelströmungsweg in den Bewegungsschaufeln der ersten Stufe zugeführt (zweiter Verbindungsweg). Ein Strömungsweg (der oben genannte zweite Kühlmittelströmungsweg) für Abzugsluftkühlmittel von dem Verdichter ist wie folgt aufgebaut, d.h. das Abzugsluftkühlmittel, das durch die zentralen Öffnungen 65b, 65c usw. der Scheiben zugeführt wird (dritte Durch gangsbahn), das die Scheiben des oben genannten Rotors an der Achse von der Verdichterseite durchläuft und in die zentralen Öffnungen 65b, 65c strömt, wird in den Abzugsluftsystemschlitz 74 zugeführt (dritte Verbindungsbahn), der entlang der Scheibe radial nach außen gerichtet ist und so aufgebaut ist, dass er mit den Strömungswegen in den Bewegungsschaufeln der dritten Stufe kommuniziert, die in die Bewegungsschaufeln eingeführt werden.
Auch in diesem Fall kann gleichmäßige und ungleichmäßige Wärmebeanspruchung abgeschwächt und eine wirksame Kühlung erreicht werden, während ein Druckverlust reduziert wird.
Wie oben erwähnt, sind gemäß dieser Ausführungsform Zufuhr- und Sammelströmungswege für Kühlmittel, die geeignet sind, um Wärmebelastungen und einen Druckverlust zu reduzieren und den Verdichterrotor zu kühlen, im Inneren des Turbinenrotors ausgebildet, und eine Gasturbine mit Kühlmittelsammlung mit hohem Wirkungsgrad kann zur Verfügung gestellt werden.
Unter Bezug auf 5 wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
5 zeigt einen Schnitt einer oberen Hälfte der Gasturbine in Kühlmittelsammelbauweise. Die in 5 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.
6 ist eine Ansicht längs der Linie X-X von 5. In 6 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.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Y-Abschnitts von 5, während 8 einen Abschirmsammler 175 gesehen aus der Z-Richtung von 7 zeigt. 9 ist eine Schnittansicht längs der Linie W-W von 8. Wie aus diesen Figuren zu ersehen ist, ist der Wärme abschirmsammler 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 7 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 7 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 8 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 Wärmeausdehnung 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 10 und 11 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 Sammelweg 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 12 und 13 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 Wärmeabschirmsammler, 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 ausreichend 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 mit einer Brennkammer (130), die Verbrennungsgas erzeugt, einer Vielzahl von Bewegungsschaufeln (140), die in einem Verbrennungsgasströmungsweg (132) angeordnet sind und durch ein Kühlmittel gekühlt werden, einer Scheibe (161a) die die Vielzahl von Bewegungsschaufeln (140) trägt, einem Distanzstück (151), das mit einem Ende mit einem Kompressor (120) verbunden ist, der Verbrennungsluft verdichtet, und einem Kühlmittelsammelströmungsweg (171), der an Verbindungsabschnitten zur Sammlung des Kühlmittels nach Kühlung der Bewegungsschaufeln (140) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstandshalter (162a) zwischen dem anderen Ende des Distanzstücks (151) und der Scheibe (161a) eingesetzt ist, und ein hitzegeschützter Strömungsweg (174), der sich in einer Radialrichtung erstreckt und an seiner Umfangswand ein Hitzeschutzmaterial aufweist, in dem Verbindungsabschnitt des Distanzstücks (151) und des Abstandshalters (162a) ausgebildet ist, wobei der hitzegeschützte Strömungsweg (174) mit dem Sammelströmungsweg (171) verbunden ist und mit der Brennkammer (130) in Verbindung steht.
Gasturbine nach Anspruch 1, bei der Dichtungsvorrichtungen (114a, 114b) an beiden Enden äußerer Umfangsabschnitte des Distanzstücks (151) bzw. an dem Außenumfang des Abstandshalters (162a) vorgesehen sind, eine Mittelöffnung (152) in dem Distanzstück (151) an einem Axisabschnitt ausgebildet ist, und ein Raum (115a) zwischen den Dichtungsvorrichtungen (114a, 114b) mit der Mittelöffnung (152) über eine Verbindungsöffnung (116) in Verbindung steht.