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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Turbinen und insbesondere
landgestützte Gasturbinen
zur Energieerzeugung, welche geschlossene Dampfkreislaufpfade zum
Kühlen
der Heißgaskomponenten
verwenden, und betrifft insbesondere eine Hohlrohranordnung, welche
die Zuführung
des Kühldampfes
zu den Heißgaskomponenten und
den Rücklauf
des verbrauchten Kühldampfs
erleichtert.
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Die
Dampfkühlung
von Heißgaspfadkomponenten,
wie zum Beispiel der Schaufeln einer Gasturbine, wurde bereits in
der Vergangenheit vorgeschlagen und hat sich in landgestützten Energieerzeugungsanlagen
als effizient erwiesen. Während
Gasturbinen typischerweise luftgekühlt werden, beispielsweise
verwenden Strahltriebwerke Kompressorzapfluft zum Kühlen der
Heißgaskomponenten,
ist Dampfkühlung
dahingehend effizienter, dass die Verluste in Verbindung mit der
Nutzung von Dampf als ein Kühlmittel
nicht so groß wie
die Verluste sind, welche durch Entnahme von Kompressorzapfluft
für Kühlzwecke
realisiert werden. Ferner ist auch in Betriebsabläufen mit
kombiniertem Kreislauf die Dampfkühlung besonders vorteilhaft,
da die an den Dampf bei dessen Kühlung
der Gasturbinenkomponenten abgegebene Wärme wieder als Nutzarbeit bei
dem Antrieb der Dampfturbine in dem kombinierten Kreislaufbetrieb
zurückgewonnen
wird.
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In
dem U.S. Patent Nr. 5,593,274 des gemeinsamen Rechtsnachfolgers,
ist eine Gasturbine mit koaxialen Dampfkanälen zur Zuführung von Kühldampf zu Heißgaskomponenten
des Rotors, beispielsweise den Schaufeln, und zum Zurückführen des
verbrauchten Kühldampfes
zu einem Rücklauf offenbart.
Mit der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Verfeinerungen
und Verbesserungen in der Zuführung
und dem Rücklauf
des Dampfes für Kühlzwecke
geschaffen.
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US-A-S
738 488 offenbart eine Dampfdichtungseinrichtung, die Dampf aus
einem feststehenden Rohr auf das rotierende Rohr einer Gasturbine überträgt. Diskrete
Zuführungs-
und Rücklaufbohrungen
sind in einem Turbinengehäuse
für die
Zuführung
des Dampfes in der erforderlichen Richtung in Bezug auf den Gasturbinenlaufrotor
ausgebildet.
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Erfindungsgemäß wird eine
Turbine mit einem um eine Achse drehbaren Rotor geschaffen, der mehrere
Turbinenschaufeln halternde Turbinenlaufräder und eine Hohlrohranordnung
zum Transportieren eines Kühlmediums
zu den Schaufeln wenigstens eines der Turbinenlaufräder und
zum Transportieren des verbrauchten Kühlmediums zu einem Rücklauf aufweist,
wobei die Hohlrohranordnung aufweist:
langgestreckte äußere und
innere Rohre, die voneinander in Abstand und konzentrisch um die
Achse unter Ausbildung erster und zweiter Kanäle angeordnet sind, um das
Kühlmedium
in einer ersten axialen Richtung zu transportieren bzw. um das verbrauchte Kühlmedium
in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten anderen Kühlrichtung
zu transportieren; gekennzeichnet durch:
eine an ein Ende der
Rohranordnung angrenzende Endkappe mit ersten und zweiten Sätzen mehrerer, jeweils
um den Umfang herum in Abstand angeordneter Öffnungen in Verbindung mit
den ersten bzw. zweiten Kanälen;
und
erste und zweite Sätze
mehrerer jeweils um den Umfang herum in Abstand angeordneter, von
dem Rotor getragener, sich radial erstreckender Verbindungsgänge, in
Verbindung mit den entsprechenden ersten und zweiten Sätzen von Öffnungen
in der Endkappe, um das Kühlmedium
an die Schaufeln des einen Turbinenlaufrades zu verteilen und um
das verbrauchte Kühlmedium
durch die Endkappe und die Bohrröhrenanordnung
hindurch zu dem Rücklauf
zu transportieren.
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Abgesehen
von der Endkappe selbst beinhaltet ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung einen Innenkern innerhalb der Endkappe. Der Innenkern
besitzt einen geformten Kopf oder Körper, um den verbrauchten Kühldampf,
der von den dampfgekühlten
Schaufeln radial nach innen gerichtet zurückkehrt, durch die Rohre in
den axial gerichteten Rücklaufpfad
des Innenrohres und der Bohrungsanordnung zu führen. Der Innenkern trägt auch
mehrere Leitschaufeln, um jede Tendenz des zurücklaufenden Kühldampfs
zu einer Verwirbelung in dem axialen Rücklaufströmungskanal innerhalb des Innenrohres zu
beseitigen. Das heißt,
die Leitschaufeln entfernen die Verwirbelungskomponenten der Dampfströmung und
leiten den Dampf im Wesentlichen in einer axialen Richtung.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt ein Strahlungsschild über wenigstens einem
Abschnitt des äußeren Rohres
zwischen diesen und der hinteren Welle, um eine Wärmeübertragung
von dem Dampfzuführungskanal
auf das hintere Hauptlager zu minimieren. Das Schild widersteht per
se der Wärmestrahlung
zu dem hinteren Hauptlager, welches ansonsten eine Temperatur über annehmbaren
Grenzwerten für
die Lagerfläche
und den Ölfilm
des Lagers annehmen könnte.
Zusätzlich
ist ein Luftspalt zwischen dem Hohlrohr und dem Strahlungs schild
vorgesehen, welcher es dem Schild ermöglicht, einen Wärmewiderstand
gegen eine Wärmeübertragung
durch Leitung zu erzeugen. Der Strahlungsschild ist an einem Ende
des äußeren Hohlrohrs
befestigt, während
das andere Ende für eine
axiale Wärmeausdehnung
frei bleibt.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Versteifungsringes zwischen den inneren und äußeren Rohren
der Hohlrohranordnung, welcher eine Wärmeausdehnung und Kontraktion
des inneren Rohres in Bezug auf das äußere Rohr ermöglicht.
Der Versteifungsring beinhaltet innere und äußere Ringe, wobei der äußere Ring
bevorzugt durch Verschweißen
an der Innenoberfläche
des äußeren Rohres
der Hohlrohranordnung befestigt ist. Das innere Rohr ist in Bezug
auf den inneren Ring des Versteifungsrings verschiebbar, um eine
axiale Wärmeausdehnung
des inneren Rohres in Bezug auf den Versteifungsring zu ermöglichen.
Der Versteifungsring bewahrt die Ausrichtung, das heißt die Konzentrizität des inneren Rohres
in Bezug auf das äußere Rohr.
Zusätzlich enthält der Versteifungsring
mehrere Streben, die sich zwischen den inneren und äußeren Ringen
erstrecken, und welche schräg
geneigt Radien des Versteifungsrings sind. Die Neigung der Streben
ermöglicht
eine eingeschränkte
Wärmeausdehnung
des inneren Rohres in Bezug auf das äußere Rohr, während gleichzeitig
die Konzentrizität
der inneren und äußeren Rohre
beibehalten wird. Ferner sind die Hinterkanten der Streben in einer
axialen Stromabwärtsrichtung
angewinkelt, um Wirbel abzulösen.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden bei einer Betrachtung
dieser Beschreibung ersichtlich.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einer Turbine mit einem sich um eine Achse drehenden
Rotor mit mehrere Schaufel halternden Turbi nenlaufrädern, eine
Hohlrohranordnung zum Transport eines Kühlmediums zu den Schaufeln
wenigstens eines der Turbinenlaufräder und zum Transportieren
von verbrauchten Kühlmedium
zu einem Rücklauf
bereitgestellt, die langgestreckte äußere und innere Rohre, die
voneinander in Abstand und konzentrisch um die die ersten und zweiten
Kanäle
definierende Achse ausgebildet sind, um jeweils das Kühlmedium
in einer axialen Richtung zu transportieren und den verbrauchten
Kühldampf
in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten axialen Richtung,
eine an einem Ende der Rohranordnung angrenzende Endkappe mit ersten
und zweiten Sätzen
mehrerer, jeweils um den Umfang herum in Abstand angeordneter Öffnungen
in Verbindung mit den ersten bzw. zweiten Kanälen, und erste und zweite Sätze mehrere
jeweils um den Umfang herum in Abstand angeordneter und von dem
Rotor getragener, sich radial erstreckender Rohre in Verbindung
mit den entsprechenden ersten und zweiten Sätzen von in der Endkappe ausgebildeten Öffnungen,
aufweist, um das Kühlmedium
an die Schaufeln des einen Turbinenlaufrades zu verteilen und um
das verbrauchte Kühlmedium
durch die Endkappe und die Hohlrohranordnung zu dem Rücklauf zu
transportieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einer Turbine mit einem sich um eine Achse drehenden Rotor
mit mehrere Schaufel halternden Turbinenlaufrädern, eine Hohlrohranordnung
zum Transport eines Kühlmediums
zu den Schaufeln wenigstens eines der Turbinenlaufräder und
zum Transportieren von verbrauchten Kühlmedium zu einem Rücklauf bereitgestellt,
die langgestreckte äußere und
innere Rohre, die voneinander in Abstand und konzentrisch um die die
ersten und zweiten Kanäle
definierende Achse angeordnet sind, um jeweils das Kühlmedium
in einer axialen Richtung und den verbrauchten Kühldampf in einer zu der ersten
Richtung entgegengesetzten axialen Richtung zu transportieren, erste
und zweite Sätzen
mehrerer, jeweils um den Umfang herum in Abstand angeordneter und
von dem Rotor getragener, sich radial erstreckender Verbindungsgänge in Verbindung
mit den entsprechenden ersten und zweiten Kanälen, um das Kühlmedium
an die Schaufeln des einen Turbinenlaufrades zu verteilen und um das
verbrauchte Kühlmedium
durch die Endkappe und die Hohlrohranordnung zu dem Rücklauf und
einem Lagerzapfen zu transportieren, der wenigstens teilweise das äußere Rohr
umgibt, und einen von dem äußeren Rohr
getragenen Strahlungsschild zum thermischen Isolieren des Lagerzapfen
gegen Wärmeübertragung über Strahlung
aus dem durch die Kanäle
strömenden
Kühlmedium
aufweist.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einer Turbine mit einem sich um eine Achse drehenden
Rotor mit mehrere Schaufel halternden Turbinenlaufrädern, eine
Hohlrohranordnung zum Transport eines Kühlmediums zu den Schaufeln
wenigstens eines der Turbinenlaufräder und zum Transportieren
von verbrauchten Kühlmedium
zu einem Rücklauf
bereitgestellt, die langgestreckte äußere und innere Rohre, die
voneinander in Abstand und konzentrisch um die die ersten und zweiten
Kanäle
definierende Achse angeordnet sind, um jeweils das Kühlmedium
in einer axialen Richtung und den verbrauchten Kühldampf in einer zu der ersten
Richtung entgegengesetzten axialen Richtung zu transportieren, einen
zwischen den inneren und äußeren Rohren
der Hohlrohranordnung angeordneten und einen äußeren und inneren Ring, die
miteinander über
mehrere um den Umfang in Abstand angeordnete Streben miteinander
verbunden sind, aufweisenden Versteifungsring aufweist, wobei einer
von dem inneren und dem äußeren Ring
an einem von dem inneren bzw. äußeren Rohr
befestigt ist, während
der andere von dem inne ren und dem äußeren Ring und das andere von
dem inneren bzw. äußeren Rohr
relativ zu einander verschiebbar sind.
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Demzufolge
versucht die vorliegende Erfindung einen neuen und verbesserten
Kühlkreislauf
in der Hohlrohranordnung eines Turbinenlaufrotors bereitzustellen,
welcher eine effiziente Zuführung
eines Kühlmediums
zu ausgewählten
Heißgaskomponenten
des Rotors und einen Rücklauf
des verbrauchten Kühldampfes
ermöglicht.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Energieerzeugungssystems ist, das
eine Gasturbine mit einer Hohlrohranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
enthält;
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2 eine
schematische Darstellung eines Systems mit kombiniertem Kreislaus
ist, das in der vorliegenden Erfindung beinhaltet ist, und eine
Gasturbine und einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator
für einen
größeren Wirkungsgrad
enthält;
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3 eine
perspektivische Teilansicht mit herausgeschnittenen Abschnitten
und im Querschnitt einer Hohlrohranordnung und eines Abschnittes
des gemäß der vorliegenden
aufgebauten Hauptrotors ist;
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4A, 4B und 4C teilweise
vergrößerte Teilquerschnittsansichten
der Hohlrohranordnung sind, wobei die Zeichnungsfiguren Fortsetzungen
voneinander entlang den angezeigten Trennungslinien bilden;
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5 eine
vergrößerte Teilaufrissansicht
mit herausgeschnittenen Teilen und im Querschnitt des vorderen Endes
der Hohlrohranordnung ist, und insbesondere die Endkappe und den
Innenkern darstellt;
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6 eine
Querschnittsansicht entlang einer Linie 6-6 in 5 ist;
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7 eine
Aufrissansicht des Endes des in 5 dargestellten
Kerns ist;
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8 eine
Querschnittsansicht davon um eine Linie 8-8 von 7 ist;
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9 eine
Aufrissansicht der Vorderseite des Innenkerns ist;
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10 eine
vergrößerte Querschnittsansicht ist,
die eine Stiftverbindung zwischen der Endkappe und der Rücklaufscheibe
der Hohlrohranordnung darstellt;
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11 eine
vergrößerte Querschnittsansicht des
Endes der äußeren Hülse der
Endkappe und einer Aussparung für
die Stiftverbindung mit der hinteren Welle ist;
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12 eine
vergrößerte Axialansicht
eines in der Hohlrohranordnung verwendeten Versteifungsringes ist;
und
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13 eine
Querschnittsansicht davon entlang einer Linie 13-13 von 12 ist.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer die vorliegenden Erfindung beinhaltenden
Einwellen-Hochlastgastur bine 10 mit einfachem Kreislauf
ist. Die Gasturbine kann als einen mehrstufigen Axialströmungskompressor 12 mit
einer Rotorwelle 14 enthaltend betrachtet werden. Luft
tritt in den Einlass des Kompressors bei 16 ein und wird
durch den Axialströmungskompressor 12 komprimiert,
und dann an eine Brennkammer 18 ausgegeben, wo Brennstoff,
wie zum Beispiel Erdgas verbrannt wird, um hochenergetische Verbrennungsgase
zu erzeugen, welche die Turbine 20 antreiben. In der Turbine 20 wird
die Energie der heißen
Gase in Arbeit umgewandelt, wovon ein Teil dazu verwendet wird,
den Kompressor 12 über
die Welle 14 anzutreiben, während der Rest für Nutzarbeit übrig bleibt,
um eine Last, wie zum Beispiel einen Generator 22 mittels
einer Rotorwelle 24 zum Erzeugen von Elektrizität anzutreiben.
Eine typische Gasturbine mit einfachem Kreislauf wandelt 30 bis
35% des eingegebenen Brennstoffes in Wellenausgangsleistung um.
Alles bis auf 1 bis 2% des Restes liegt in der Form von Abgaswärme vor,
welche die Turbine 20 bei 26 verlässt. Höhere Wirkungsgrade
können
erzielt werden, indem die Gasturbine 10 in einer Konfiguration
mit kombiniertem Kreislauf eingesetzt wird, in welchem die Energie
in dem Turbinenabgasstrom in zusätzliche
Nutzarbeit umgewandelt wird.
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2 stellt
einen kombinierten Kreislauf in seiner einfachsten Form dar, in
welchem die die Turbine 20 bei 26 verlassenden
Abgase in einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 28 eintreten,
in welchem Wasser in Dampf in der Weise eines Kessels umgewandelt
wird. Auf diese Weise erzeugter Dampf treibt eine oder mehrere Dampfturbinen 30 an,
in welchen zusätzliche
Arbeit gewonnen wird, um über
eine Welle 32 eine zusätzliche
Last, wie zum Beispiel einem zweiten Generator 34 anzutreiben, welcher
wiederum zusätzliche
elektrische Energie erzeugt. In einigen Konfigurationen treiben
die Turbinen 20 und 30 einen gemeinsamen Generator
an. Nur elektrische Ener gie erzeugende kombinierte Kreisläufe liegen
im Allgemeinen bei einem Wärmewirkungsgradbereich
von 50 bis 60%, und die Verwendung einer moderneren Gasturbine,
wovon die vorliegende Rohranordnung ein Teil bildet, ermöglicht Wirkungsgrade über 60%.
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In 3 ist
der insgesamt mit 36 bezeichnete Turbinenabschnitt der
Rotorwelle 24 teilweise dargestellt. Der Turbinenabschnitt 36 enthält eine
Anzahl von Stufen, welche vier aufeinanderfolgende Stufen mit Turbinenlaufrädern 38, 40, 42 und 44 beinhaltet,
die auf der Rotorwelle befestigt sind und einen Teil damit zur Drehung
ausbilden, wovon jedes eine Reihe von Schaufeln trägt, wovon
zwei Schaufeln B für
die Laufräder 38 bzw. 40 dargestellt
sind, welche radial aus den Laufrädern hervorstehen. Die Schaufeln
sind natürlich
abwechselnd zwischen festen Düsen,
welche ebenfalls nicht dargestellt sind, angeordnet. Zwischen den
Laufrädern 38, 40, 42 und 44 sind
Abstandsscheiben 39, 41, 43 angeordnet. Eine
ein integriertes Teil einer hinteren Welle 76 bildende
hintere Kühlmittelzuführungs-
und Rücklaufscheibe 45 ist
auf der Rückseite
des Turbinenlaufrades 44 der letzten Stufe vorgesehen.
Man erkennt, dass die Laufräder
und Scheiben aneinander über mehrere
um den Umfang in Abstand angeordnete, sich axial erstreckende (nicht
dargestellte) Schrauben, wie in einer herkömmlichen Turbinenkonstruktion
befestigt sind.
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Eine
Hohlrohranordnung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist insgesamt mit 48 bezeichnet.
Die Anordnung 48 bildet einen Teil de s. Rotors, ist zur
Drehung um die Rotorachse A angeordnet und ist mit der hinteren
Kühlungsunterstützungs-
und Rücklaufscheibe 45 verbunden.
Die Hohlrohranordnung und hintere Scheibe 45 wirken miteinander
zusammen, um einen Strom eines Kühlungsmediums,
zum Beispiel Dampf an die Turbinenschaufeln von wenigstens einer
der Turbinenstufen und bevorzugt an die ersten zwei Stufen der Turbine
und einen Kanal für
den Strom, des verbrauchten Kühlmediums,
zum Beispiel Dampf, zu einem Rücklauf
bereitzustellen. Das Kühlsystem
kann als Teil eines Dampfkühlungs-Zuführungsund
Rücklaufsystems
mit geschlossenem Kreislauf in einem System mit kombiniertem Kreislauf,
das heißt,
abgetrennt von dem Hochdruckdampfturbinenabgas vorgesehen sein,
oder kann von einer bereits vorhandenen Anlagenversorgung versorgt
werden.
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Die
Hohlrohranordnung 48 enthält ein äußeres Rohr 50 und
ein um die Rotationsachse der Rotorwelle 24 konzentrisches
inneres Rohr 52. Die äußeren und
inneren Rohre 50 bzw. 52 definieren einen ringförmigen Kühldampfzuführungskanal 54,
während
das Innenrohr 52 einen Kanal 56 für verbrauchten
Kühldampf
bereitstellt. Gemäß den 4B und 4C ist
eine Dampfdichtungseinrichtung 58 um die Hohlrohranordnung
herum angeordnet. Man erkennt, dass die Dampfdichtungseinrichtung 58 feststeht,
und sich die Hohlrohranordnung um die Rotorwellenachse A dreht.
Ein mit einem Dampfzuführung aus
einer nicht dargestellten geeigneten Quelle verbundener Dampfsammelraum 60 steht
mit einem Dampfeinlass 62 in Verbindung, der durch das äußere Rohr 50 hindurch
ausgebildet ist, um Kühldampf dem
Kanal 54 zwischen den äußeren und
inneren Rohren 50 und 52 zuzuführen. Bevorzugt federvorgespannte
Labyrinthdichtungen 64 und 66 sind auf gegenüberliegenden
Seiten der Dampfdichtungseinrichtung 58 zur Abdichtung
gegenüber
dem äußeren Rohr 50 vorgesehen.
Eine weitere Variante dieser Konstruktion könnte Bürstendichtungen anstelle von Labyrinthdichtungen
verwenden. Das hintere Ende der Dampfdichtungseinrichtung 58 ist
mit einem feststehenden Dampfrohr verbunden, welches schematisch
durch den Rücklauf
R dargestellt wird, um den verbrauchten Kühldampf abzuleiten. Die Dampfdichtungsein richtung 58 enthält auch
Leckackedampfsammelräume 70 und 72 zum
Sammeln von hinter die Labyrinthdichtung leckendem Dampf, so dass
der Dampf nicht vorwärtsgerichtet
zu dem hinteren Hauptlager 74 austritt.
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Gemäß den 4A und 4B ist
das Lager 74 ein herkömmliches
Lager und enthält
die hintere Welle 76, in einem Stück mit der Scheibe 48,
wobei die Welle 76 mit der Hohlrohranordnung 48 drehbar
ist. Verschiedene Dichtungen sind an gegenüberliegenden Enden des hinteren
Hauptlagers angeordnet, und wirken mit der hinteren Welle zusammen, um
das Hauptlager abzudichten.
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Gemäß den 4A und 5 enthält das vordere
Ende der Hohlrohranordnung eine insgesamt mit 80 bezeichnete
Endkappe. Die Endkappe 80 enthält ein äußeres, im Wesentlichen zylindrisches
Element, das an der hinteren Scheibe 45 befestigt ist und
ein geschlossenes Ende 82 enthält und ein gegenüberliegendes
Ende, das beispielsweise mittels Schweißung an dem äußeren Rohr 50 der Hohlrohranordnung
befestigt ist. Ein integriertes Teil der Endkappe 80 bilden
zylindrische äußere und
innere Hülsen 83 und 84 aus.
Das hintere Ende 86 der inneren Hülse 84 ist an dem
vorderen Ende des inneren Rohres 52 befestigt. Das hintere
Ende der äußeren Hülse 83 ist,
beispielsweise mittels Schweißung, an
dem vorderen Ende des äußeren Rohres 50 befestigt.
Demzufolge definiert das zylindrische offene Ende der Endkappe Verlängerungen
des Kühlmittelzuführungskanal 54 und
des Rücklaufkanals 56 für den verbrauchten
Dampf.
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Ein
erster Satz mehrerer, um den Umfang in Abstand angeordnete Öffnungen 88,
die in einer Durchmesserebene um die Achse A herum liegen, sind
um die Außenhülse 83 der
Endkappe 80 vorgesehen. Die Öffnungen 88 stehen
mit dem ersten Kanal 54 der Hohlrohranordnung und deren
Verlängerung
durch die konzentrischen inneren und äußeren Hülsen der Endkappe in Verbindung.
Ein zweiter Satz um den Umfang herum in Abstand angeordneter Öffnungen 90,
die bevorzugt axial von dem ersten Satz der Öffnungen 88 in Abstand
angeordnet sind, und auch in einer zweiten Durchmesserebene liegen,
ist angrenzend an das vordere Ende der Endkappe 80 vorgesehen.
Der zweite Satz der Öffnungen 90 steht über die
innere Hülse 84 mit
dem Kanal 56 für
den verbrauchten Kühldampf
in Verbindung.
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Gemäß nochmaligem
Bezug auf die 3 und 4A sind
mehrere, um den Umfang in Abstand radial sich erstreckende Rohre 92 in
der hinteren Scheibe 45 angeordnet und stehen mit dem ersten
Satz von Öffnungen 88 der
Endkappe 80 in Verbindung. Die gegenüberliegenden Enden der Rohre 92 des
ersten Satzes stehen mit Zuführungsrohren 94 (3)
in Verbindung, welche sich innerhalb des Rotors in einer axialen
Richtung erstrecken, um Dampf den Schaufeln wenigstens des Turbinenlaufrades
der ersten Stufe, bevorzugt den Turbinenlaufrädern sowohl der ersten, als
auch zweiten Stufe zum Kühlen
von deren Schaufeln zuzuführen.
Ein zweiter Satz von mehreren, um den Umfang in Abstand angeordneten
Verbindungsrohren 94 erstreckt sich radial in der hinteren
Scheibe 45 in Verbindung mit entsprechenden Öffnungen 90 der
Endkappe 80 an deren radial inneren Enden. Der zweite Satz
der Rohre 94 steht mit Rücklaufrohren 96 in
Verbindung, welche sich ebenfalls innerhalb des Rotors in einer
axialen Richtung erstrecken, um verbrauchten Kühldampf von den gekühlten Schaufeln
zu den Rohren 94 und in die Endkappe 80 über die Öffnungen 90 zurückzuleiten.
Man erkennt, dass die Rohre 92 und 94 somit erste
und zweite axial in Abstand angeordnete Sätze von jeweils mehreren, um
den Umfang in Abstand angeordnet sich erstreckenden Verbindungsgängen 93, 95 in
Verbindung mit den entsprechenden ersten und zweiten Sätzen von Öffnungen 88, 90 in
der Endkappe bilden, um jeweils Kühlmedium aus dem Kanal 54 durch
die Endkappe 80 zu den Schaufeln zu transportieren, und
um das verbrauchte Kühlmedium
aus den Schaufeln durch die die Endkappe und das innere Rohr 52 umfassende
Hohlrohranordnung, welche entlang dem Kanal 56 zurückzuführen.
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Innerhalb
der Endkappenanordnung ist ein Innenkern 1000 vorgesehen.
Der Innenkern 1000, wie er am Besten in 8 dargestellt
ist, enthält
einen Zentralkörper 102 mit
einer flachen Basis 104 zur Befestigung der Innenseitenendfläche der
Endkappe 80 mittels geschraubter Verbindungen, wovon fünf Schraubenlöcher 103,
die in den 6 und 7 dargestellt
sind (nur eine Schraube 101 dafür in den 4A und 5 dargestellt
ist). Der Innenkern 100 ist ein geschmiedetes Teil, das
bevorzugt aus Inconel 718 geformt ist. Ein Gießen des
Innenkerns ist ein alternatives verfahren. Zusätzlich werden zwei Dübelstifte,
wovon einer bei 106 in jeder von den 4A und 5 dargestellt
ist, verwendet, um die Scherungsbelastung zwischen dem Innenkern 100 und der
Endkappe 80 aufzunehmen, während die Schrauben 101 die
Zugbelastung aufnehmen.
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Insbesondere
ist gemäß 8 der
Körper 102 des
Innenkerns 100 im Wesentlichen gekrümmt und in einem Scheitelpunkt 110 endend
konisch geformt, während
die Achse des konischen Körpers 102 auf
der Rotorachse A liegt. Zusätzlich
sind gemäß Darstellung
in den 7 und 8 mehrere Leitschaufeln 112 vorgesehen,
die sich aus dem gekrümmten
konischen Körper 102 zu
dem Rand des Innenkerns 100 hin erstrecken. Gemäß Darstellung in
den 4A und 5 und bei an der Innenfläche der
Endkappe 80 befestigtem Innenkern 100 wird man erkennen,
dass sich der Innenkern 100 vollständig innerhalb der Innenhülse 84 befindet.
Ferner sind die Leitschaufeln 112 voneinander so in Abstand
angeordnet, dass der Rückstrom
durch Rohre 94 zwischen den Leitschaufeln strömt. Mit
dieser Anordnung tritt der Rückstrom
des verbrauchten Kühldampfes
in die Innenhülse 84 durch Öffnungen 90 zum
Aufprall auf die gekrümmten
konischen Oberfläche
des Innenkernkörpers 102 ein,
welcher den verbrauchten Kühldampfstrom
aus einer im Wesentlichen radial nach innen gerichteten Strömung in
eine sich axial erstreckende Strömung
innerhalb des Innenrohres 52 überleitet. Die Leitschaufeln 112 dienen
dazu, jede Tendenz der radial nach innen gerichteten Strömung des
verbrauchten Kühldampfs,
Verwirbelungskomponenten zu zeigen, zu beseitigen. Somit begradigen
die Leitschaufeln die Strömung
für eine
im Wesentlichen axiale Strömung,
die einer radialen Strömung
innerhalb der Innenhülse 84 und des
Kanals 56 minimiert oder ausschließt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die hintere Welle
an der Hohlrohranordnung über
ein Paar vorderer und hinterer Presssitze befestigt. Beispielsweise
ist der vordere Presssitz bei 120 in 4A dargestellt,
während
der hintere Presssitz bei 122 in 4B dargestellt
ist. Die Hohlrohranordnung muss bei allen Betriebsbedingungen der
Turbine zentriert und auf der hinteren Welle festgehalten werden.
Ansonsten könnten
eine zerstörerische
Unwucht und anschließende
Schwingungen auftreten. Ein Paar von Presssitzen zwischen der hinteren
Welle und der Hohlrohranordnung an gegenüberliegenden Enden der hinteren
Welle verhindert eine derartige Unwucht und Schwingungen.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung muss die Hohlrohranordnung
an einer Verdrehung innerhalb der hinteren Welle gehindert werden.
Dieses wird durch die Verwen dung radialer Stifte durch die hintere
Welle erreicht, die mit dem vorderen Ende der Bohrungsanordnung
in Eingriff stehen. Beispielsweise weist, wie es in 10 dargestellt
ist, die hintere Welle 76 mehrere Öffnungen 126 an um den
Umfang herum in Abstand angeordneten Stellen für die Aufnahme von Stiften 128 auf.
Die hinteren Enden der Stifte 128 greifen in, um den Umfang
herum in Abstand angeordnete Aussparungen 130 ein, die
auf der Außenumfangsoberfläche der äußeren Hülse 83 der
Endkappe 80 ausgebildet sind. Man erkennt, dass diese in
die Aussparung eingreifenden Stifte sowohl eine Umfangs-, als auch
Axialbewegung der hinteren Welle in Bezug auf die Hohlrohranordnung
verhindern.
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Anhand
der 4B, 12 und 13 wird man
nun erkennen, dass sich die Temperaturen der diese Hohlrohranordnung
bildenden der inneren und äußeren Rohre
voneinander während
des Betriebs unterscheiden, da der äußere konzentrische Kanal 54 Kühldampf
liefert, während
der verbrauchte Rücklaufdampf
in dem Kanal 56 bei einer wesentlich höheren Temperatur strömt. Demzufolge
neigt das innere Rohr 52 sowohl zu einer axialen, als auch
radialen Wärmeausdehnung.
Zur Aufnahme dieser Wärmeausdehnung
sowohl in axialer, als auch radialer Richtung ist ein insgesamt
bei 130 gestellter Stützring zwischen
den äußeren und
inneren Rohren 50 bzw. 52 angeordnet. Gemäß 12 enthält der Stützring einen äußeren Ring 132 und
einen inneren Ring 134, die miteinander über mehrere,
um den Umfang in Abstand angeordnete Streben 136 verbunden
sind. Der äußere Ring 132 ist
bevorzugt an dem äußeren Rohr 50 beispielsweise
durch Verschweißung
befestigt. Der innere Ring 132 ist jedoch verschiebbar
mit dem inneren Rohr 52 verbunden. Eine umgekehrte Anordnung
ist ebenfalls möglich,
das heißt,
das der innere Ring an dem inneren Rohr befestigt ist, und das der äußere Ring
verschiebbar zu dem äußeren Rohr
ist, wird aber nicht bevorzugt. Mit dieser Anordnung wird das innere
Rohr innerhalb des äußeren Rohres 50 konzentrisch
gehalten, während
gleichzeitig die Wärmausdehnung
des inneren Rohres in einer axialen Richtung durch eine relative
Gleitbewegung zwischen dem Rohr 52 und dem Innenring 134 aufgenommen
wird. Man erkennt, dass die inneren und äußeren Rohre an dem Rotor an
ihren vorderen Enden befestigt sind, und sich demzufolge das innere
Rohr axial in einer rückwärtigen Richtung
in Bezug auf das äußere Rohr
ausdehnen kann. Der Sitz zwischen dem inneren Ring 134 und
dem inneren Rohr 52 enthält eine harte Oberflächenbeschichtung,
die auf sehr enge Toleranzen geschliffen ist.
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Um
eine Wärmeausdehnung
des inneren Rohres 52 in einer radialen Richtung zu ermöglichen, erstrecken
sich die Streben 136 zwischen den inneren und äußeren Ringen 134 und 132,
jeweils in zu den radialen geneigten Winkeln, wie es in 2 dargestellt
ist. Das heißt,
spitze Winkel bilden sich zwischen den Radien des Stützrings
und den Stützen 136.
Die ansonsten im Wesentlichen radialen Kräfte, die auf die sich radial
erstreckenden Stützen 36 durch
eine radiale Auswärtswärmedehnung
des inneren Rohres 52 ausgeübt werden, werden durch die Anwinklung
der Stützen
in Bezug auf die Radien abgeschwächt.
Somit tendiert der Innenring 134 zu einer leichten Rotation
und die Streben tendieren zu einer Biegung, sobald sich das Innenrohr 52 in
einer radialen Richtung unter thermischer Belastung ausdehnt.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung beruht in der Form der Streben 136.
Gemäß Darstellung
in 13 liegen die Anström- oder Vorderkanten der Streben 136 im
Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Achse des Strömungskanals 54.
Jedoch sind die Hinterkanten der Streben 136 in Bezug auf die
Achse ange winkelt, das heißt,
in einer Richtung im Wesentlichen von dem Innenrohr radial nach
außen
gerichtet und in einer stromabwärtigen
Richtung angewinkelt. Das heißt,
dass, wenn sich die Vorderkanten senkrecht zu der Achse erstrecken,
die Hinterkanten so angeschrägt
sind, dass der Außendurchmesser
jeder Strebe eine längere
axiale Länge als
ihr Innendurchmesser besitzt. Die spezielle Form der Streben ist
wichtig, da die Streben in dieser Konfiguration und Orientierung
dazu tendieren eine Wirbelablösung
und Schwingung zu reduzieren, sobald der Kühldampf durch den Kanal 54 strömt.
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Gemäß Darstellung
in 4B gibt es auch mehrere Lufteinlasskanäle 140 durch
die hintere Welle 76. Ein Wärmestrahlungsschild 142 ist über dem äußeren Rohr 50 angeordnet
und von der hinteren Welle 76 in Abstand angeordnet, um
einen sich axial erstreckenden konzentrischen Spalt für die Aufnahme
des Luftstroms aus Luftkanälen 140 bereitzustellen.
Die durch diesen ringförmigen
Luftkanal strömende
Luft verlässt
den Rotor über
mehrere Löcher in
derselben axialen Ebene wie die Stifte 128 an dem vorderen
Ende der Hohlrohranordnung. Ein ringförmiger Spalt befindet sich
zwischen dem Wärmestrahlungsschild 142 und
dem äußeren Hohlrohr 50.
Demzufolge verhindert das Schild 142 eine Wärmeübertragung
durch Strahlung aus dem Kühldampf
im Kanal 54 auf das hintere Hauptlager. Ferner bilden der Luftspalt
und der Luftkanal thermische Isolatoren zwischen dem Kühldampf
im Kanal 54 und dem Hauptlager.