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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbinen und insbesondere
landgestützte
Gasturbinen zur Energieerzeugung. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung die Abstimmung einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung
zwischen Rotorteilen, wie zum Beispiel zwischen einem Turbinenrad und
einem Abstandshalter oder einer hinteren Welle, durch Steuern der
Strömung
eines Wärmemediums auf
die Außenoberfläche von
einem der Turbinenteile, um im Wesentlichen die unterschiedliche
Wärmeausdehnung
zu beseitigen, oder sie innerhalb einer vorbestimmte unterschiedlichen
Wärmeausdehnung zu
halten.
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In
einer typischen Gasturbine wird der Turbinenrotor ausgebildet, indem
Rotorräder
und Abstandshalter in Reihe angeordnet werden, die in Reihe angeordneten
mehreren Räder
und Abstandshalter miteinander verschraubt werden. Typischerweise sind
zwischen den Abstandshaltern und den Rädern Falzverbindungen vorgesehen.
In moderneren Gasturbinen sind Kühlkreisläufe durch
den Rotor zum Kühlen
der Schaufeln vorgesehen. Beispielsweise kann Kühldampf durch eine ein Teil
der Rotoranordnung bildende hintere Welle zur Strömung entlang dem
Kranz des Rotors zu den Schaufeln von einer oder mehreren Turbinenstufen
für die
Kühlung
der Schaufeln vorgesehen sein. Verbrauchter Kühldampf strömt ferner aus den Schaufeln
in einen Rücklaufpfad
entlang dem Kranz des Rotors und durch die hintere Welle.
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Aufgrund
der Reihenanordnung von Rotorrädern
und Abstandshaltern und aufgrund der variierenden Temperaturen,
die an den verschiedenen Rotorelementen bei unterschiedlichen Betriebszeiten der
Turbine, wie zum Beispiel beim Start, stationären Zustand und Abschalten
anliegen, wurde gemäß der vorliegenden
Erfindung entdeckt, dass eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Turbinenrotorelementen
eine während
spezieller Phasen des Turbinenbetriebs ein Ausmaß aufweisen kann, das ausreichend
ist, eine Relativbewegung der Turbinenelemente auftreten zu lassen,
welche Falzverbindungen öffnet,
was zu den nachstehend erwähnten schädlichen
Ergebnissen führt.
Diese unterschiedliche Ausdehnung tritt insbesondere in derzeitigen modernen
Gasturbinenkonstruktionen auf, da die Dampfkühlkreisläufe in der hinteren Welle vorgesehen
sind, die mit dem Rad der letzten Turbinenstufe, zum Beispiel der
vierten Turbinenstufe verbunden ist. Man wird erkennen, dass während eines
stabilen Turbinenbetriebs die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Elementen
des Turbinenrotors und insbesondere der hinteren Welle und dem Rad der
letzten Stufe innerhalb eines vorbestimmten akzeptablen Bereiches
liegt, welcher im Wesentlichen eine Relativbewegung zwischen den
Rädern
und Abstandshaltern oder der hinteren Welle und dem Rad der letzten
Stufe ausschließt,
was verhindert, dass sich die Falzverbindungen verschieben oder öffnen. Somit
liegt im Stationären
Betrieb keine Relativbewegung der Turbinenrotorteile vor, welche
anderenfalls zu einem Verlust der Auswuchtung des Rotors führen könnte, welche
möglicherweise
zu starken Schwingungen und Notwendigkeit einer Neuauswuchtung oder
Rotorersetzung zu erheblichen Kosten führt.
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Während einer
Turbinenabschaltung strömen
jedoch keine heißen
Verbrennungsgase mehr durch den Heißgaspfad und in einer relativ
kurzen Zeitdauer von angenähert
einer Stunde verlangsamt sich die Turbine von 3000 UpM auf 7 UpM.
Man wird erkennen, dass mit nur mit einer marginalen Strömung durch
die Turbine bei dieser niedrigen Drehzahl, bei abge schalteten Dampfkühlkreisläufen und der
relativ großen
Masse des Turbinenrades die Temperatur des Turbinenrades mit einer
wesentlich langsameren Rate als die Temperatur der hinteren Welle
abnimmt, was eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen diesen
Elementen bewirkt. Eine unterschiedliche Wärmeausdehnung mit einer Differenz
von bis zu 410°K
zwischen diesen Elementen hat sich während einer Turbinenabschaltung
gezeigt. Ein derartiger großer
Wärmeunterschied
kann die Falzverbindungen entlasten und eine Relativbewegung zwischen
den Elementen bewirken. Mit der Zeit nimmt natürlich die unterschiedliche
Wärmeausdehnung
ab, bis im wesentlichen ein Wärmegleichgewicht
zwischen diesen Elementen besteht.
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US-A-4
329 114 stellt eine Turbomaschine mit Einrichtungen dar, um selektiv
Luft in einer modulierenden Weise entlang einer Statoroberfläche zu verteilen,
um den Stator unter stabilen Betriebszuständen zu kühlen, während US-A-4 795 307 ein Verfahren
zum Aufwärmen
eines Turbinenrotors unter Verwendung von Dampf offenbart, um den
Rotor eines Rotor/Stator-Paares aufzuheizen.
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Ebenso
treten bei dem Startvorgang der Turbine unterschiedliche Wärmeausdehnungen
zwischen den verschiedenen Rotorelementen auf. Beispielsweise heizt
bei dem Startvorgang das durch den Heizgaspfad der Turbine strömende heiße Gas, das
Turbinenrad der letzten Stufe sehr langsam aufgrund seiner großen Masse
auf. Umgekehrt heizt sich die hintere Welle, welche das Kühlmedium,
zu Beginn Luft und anschließend
Dampf transportiert, ziemlich rasch auf, was eine unterschiedliche
Wärmeausdehnung
zwischen der hinteren Welle und dem Rad der letzten Stufe bewirkt.
Dieses kann wiederum bewirken, dass sich die Falzverbindung zwischen diesen
Elementen öffnet,
was zu der Möglichkeit
eines unausgewuchteten Rotors führen
kann.
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Um
das vorstehend erwähnte
Problem der unterschiedlichen Wärmeausdehnung
zu lösen,
wird bevorzugt die Temperatur von wenigstens einem der Elemente
des Elementepaares mit der unterschiedlichen Wärmeausdehnung abhängig davon,
ob die Turbine abgeschaltet bzw. gestartet wird, angehoben oder
abgesenkt. Beispielsweise wird während
des Abschaltvorgangs ein erhitztes Fluidmedium, zum Beispiel heiße Luft
in einem Hohlraum zwischen der hinteren Wellenoberfläche und
der vorderen Verschlussplatte bereitgestellt. Diese erhitzte Luft
steht somit mit der Oberfläche
des hinteren Wellenrades in einer Wärmeübertragungsbeziehung, um zu
verhindern, dass sich das hintere Wellenrad rasch abkühlt. Dieser
Strom erwärmter
Luft reduziert die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem
hinteren Wellenrad und dem Turbinenrad der letzten Stufe auf einen
Wert innerhalb einer vorbestimmten akzeptablen unterschiedlichen
Wärmeausdehnung
von beispielsweise in der Größenordnung
von 295°K oder
300°K Unterschied.
Ebenso wird während
des Startvorgangs ein Kühlmedium,
zum Beispiel in denselben Hohlraum geliefert, um die Anstiegsrate
der Temperatur des hinteren Wellenrades im Wesentlichen in entsprechender
Beziehung zu dem Temperaturanstieg des Rades der letzten Stufe zu
halten, so dass die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen diesen
Rädern
bei dem Startvorgang innerhalb vorbestimmter akzeptabler Grenzen
gehalten werden kann. Das Erwärmungsoder
Kühl-Medium kann
durch eine geeignete Verrohrung in den Hohlraum der vorderen Verschlussplatte
geliefert werden.
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In
einer bevorzugen Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einer Gasturbine mit einem Paar von Teilen, die
auf unterschiedliche angelegte Temperaturen reagieren, die eine
vorübergehende
unterschiedliche Wärmeausdehnung erzeugen,
ein Verfahren geschaffen, um die unterschiedliche Wärmeausdehnung
zwischen den Teilen innerhalb einer vorbestimmten unterschiedlichen Wärmeausdehnung
zu halten, das den Schritt aufweist, ein Fluidmedium entlang einer
Oberfläche
von einem der Teile strömen
zu lassen, um das eine Teil auf eine Temperatur entweder zu erwärmen oder
zu kühlen,
welche es ermöglicht,
das Ausmaß der
unterschiedlichen Wärmeausdehnung
der Teile innerhalb der vorbestimmten unterschiedlichen Wärmeausdehnung
zu halten.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einer Turbine mit einem Turbinenrad und einem
hinteren Rad, die aneinander und in axialer Ausrichtung zueinander
befestigt und mit einer Falzverbindung dazwischen versehen sind,
wobei die Räder
auf unterschiedlich angelegte Temperaturen reagieren, indem sie
eine vorübergehende
unterschiedliche Wärmeausdehnung
zwischen ihnen erzeugen, ein Verfahren zur Verhinderung einer relativen
Bewegung zwischen den Rädern
als Folge der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen den
Rädern über eine
vorbestimmte unterschiedliche Wärmeausdehnung
hinaus zu verhindern, geschaffen, welches den Schritt aufweist,
ein Fluidmedium entlang einer Oberfläche von einem der Räder entweder
zum Erwärmen
oder Kühlen
des einen Rades auf eine Temperatur strömen zu lassen, die die unterschiedliche
Wärmeausdehnung auf
einen Wert innerhalb einer vorbestimmten unterschiedlichen Wärmeausdehnung
reduziert.
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Demzufolge
versucht die vorliegende Erfindung Vorrichtungen und Verfahren zu
schaffen, um die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Turbinenrotorelementen
innerhalb einer vorbestimmten unterschiedlichen Wärmeausdehnung
zu halten, indem die Zuführung
eines erwärmten
oder eines Kühlmediums
zu einer Oberfläche
von einem dieser Elemente gesteuert wird.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben von denen die einzige
Figur eine Teilquerschnittsansicht eines Abschnittes einer Turbine
ist, welche die Art darstellt, in welcher die Steuerung des thermischen
Reaktion eines Paares von Turbinenelementen abgestimmt wird.
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In 1 ist
ein Abschnitt einer Turbine dargestellt, die einen insgesamt mit 10 bezeichneten Turbinenrotor
enthält,
der aus in Reihe angeordneten Elementen, wie zum Beispiel den Rotorrädern 12, 14, 16 und 18 besteht,
welche Abschnitte eines vierstufigen exemplarischen Turbinenrotors
mit sich zwischen den Rädern
abwechselnden Abstandshalter 20, 22 und 24 bilden.
Man wird erkennen, dass die Rad- und Abstandshalterelemente in dem
Rotor durch mehrere längliche,
sich in Umfangsrichtung erstreckende Schrauben zusammengehalten
werden, wovon nur eine bei 26 dargestellt ist. Die Räder 12, 14, 16 und 18 tragen
mehrere um den Umfang herum in Abstand angeordnete Schaufeln 12a, 14a, 16a bzw. 18a.
Düsen 30, 32, 34 und 36 bilden
Stufen mit den Schaufeln 12a, 14a, 16a bzw. 18a.
Man beachte, dass die Räder
und Abstandshalter in einer axialen Ausrichtung zueinander liegen,
und dass zwischen den Rädern
und Abstandshaltern Falzverbindungen vorgesehen sind. Eine exemplarische
Falzverbindung, die mit 40 bezeichnet ist, ist zwischen
dem Rad 18 der letzten Stufe und einem hinteren Wellenrad 42,
das einen Teil einer hinteren Welle 44 bildet, dargestellt.
Die Falzverbindungen werden über
alle Betriebsbereiche der Turbine miteinander verbunden gehalten.
Gemäß Darstellung
ist die hintere Welle 44 mit dem Rotor 10 innerhalb
eines hinteren Lagers 46 drehbar.
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In
einer modernen Gasturbinenkonstruktion des Rechtsnachfolgers hiervon
beherbergt die hintere Welle 44 eine Hohlrohranordnung.
Die Hohlrohranordnung beinhaltet im Allgemeinen äußere und innere Rohre 48 bzw. 50,
die einen ringförmigen Dampfkühlkanal 52 und
einen Rückkanal 54 für verbrachten
Kühldampf
definieren. Die Kanäle 52 und 54 übertragen
Dampf an und aus dem äußeren Ring des
Rotors über
Sätze sich
radial erstreckender Bohrungen oder Leitungen 56 bzw. 58,
welche wiederum mit sich in Längsrichtung
erstreckenden Rohren in Verbindung stehen, die sich um den Kranz
des Rotors herum erstrecken. Nur soviel sei gesagt, dass der durch
den Dampfkanal 52 und Bohrungen 56 zugeführte Dampf
Kühldampf
an die Schaufeln der ersten und zweiten Stufen liefert, während die
Bohrungen 58 und der Rücklaufkanal 54 den
verbrauchten Kühldampf
aus den Schaufeln zur Rückführung aufnehmen.
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Wie
es vorstehend erwähnt
wurde, treten unterschiedliche Wärmeausdehnungen
zwischen verschiedenen Elementen des Rotors während des Betriebs der Turbine,
insbesondere während
der Abschaltung oder des Starts der Turbine auf. Während eines
Turbinenbetriebs im stationären
Zustand liegt die Temperaturverteilung zwischen den verschiedenen
Elementen der Turbine innerhalb eines vorbestimmten Bereiches einer
unterschiedlichen Wärmeausdehnung,
welche den Betrieb der Turbine nicht nachteilig beeinträchtigt.
während
vorü bergehender Betriebszustände, das
heißt
während
des Abschalt- und Startvorgangs sind unterschiedliche Wärmeausdehnungen
wesentlich größer und
müssen
aufgenommen werden. Beispielsweise weist die Falzverbindung 40 zwischen
den hinterem Wellenrad 42 und dem Rad 18 der letzten,
das heißt,
der vierten Stufe eine erhebliche unterschiedliche Wärmeausdehnung weit über einer
akzeptablen unterschiedlichen Wärmeausdehnung
auf. Eine derartig große
unterschiedliche Wärmeausdehnung
kann einen offenen oder entspannten Falz bewirken. Ein solcher Zustand könnte Elemente
dazu veranlassen sich relativ zueinander zu bewegen und somit einen
Auswuchtungsverlust des Rotors bewirken, der zu starken Schwingungen
und einer Notwendigkeit einer teueren Neuauswuchtung oder Rotorersetzung
führt.
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Insbesondere
werden während
des Abschaltvorgangs die durch den Heißgaspfad der verschiedenen
Turbinenstufen strömenden
heißen Gase
und der Dampfstrom durch den Hohlrohrkühlkreislauf unterbrochen. Da
das Rad 18 eine sehr große Masse hat und während des
stationären
Betriebszustandes der Turbine auf eine hohe Temperatur aufgeheizt
wird, verliert das Rad 18 Wärme mit einer sehr langsamen
Rate im Vergleich zu dem Wärmeverlust
des hinteren Wellenrades 42, was eine große unterschiedliche
Wärmeausdehnung
an der gefalzten Wärmeverbindung 40 bewirkt.
Wie vorstehend angemerkt, kann der Wärmeunterschied bis zu 410°K betragen,
was eine Öffnung
einer Falzverbindung bewirken könnte.
In ähnlicher
Weise tritt eine große
unterschiedliche Wärmeausdehnung
beim Startvorgang auf. Beim Startvorgang ist das Rad 18 kühl und nimmt
Wärme relativ
langsam aus dem Heißgaspfad
im Vergleich zu der Anstiegsrate der in dem hinteren Rad 42 durch
die Strömung
des Kühlmediums,
zum Beispiel Luft am Anfang und danach Kühldampf über die Kanäle 52, 54 und
das Hohlrohr 56 und 58 aufgenommenen Wärme auf.
Somit tritt ein erheblicher Wärmegradient
oder eine unterschiedliche Wärmeausdehnung
zwischen diesen zwei Elementen während
vorübergehenden
Betriebszuständen
auf, das heißt,
dass das Rad 18 eine erhöhte Temperatur im Vergleich
zu dem hinteren Rad 42 während des Abschaltens aufweist,
während
das hintere Rad 42 eine erhöhte Temperatur im Vergleich
zur Temperatur des Rades 18 während des Startvorgangs aufweist.
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Um
die unterschiedliche Wärmeausdehnung während dieser
vorübergehenden
Phasen des Turbinenbetriebs zu reduzieren, wird dem Hohlraum 60 zwischen
der vorderen Verschlussplatte 63 und der Hinterseite des
hinteren Wellenrades 42 ein Wärmemedium zugeführt. Das
Wärmemedium
kann über eine
Reihe von Rohrleitungen 70, die sich in dem Lagerhohlraum 66 erstrecken
und die vordere Verschlussplatte 62 zugeführt werden.
Der Hohlraum 60 steht mit dem Heißgaspfad der letzten Stufe
in Verbindung.
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Das
dem Hohlraum 60 über
die Rohrleitung 70 zugeführte Wärmemedium kann von jeder geeigneten
Quelle bereitgestellt werden. Man wird erkennen, dass es während des
Abschaltvorgangs erwünscht
ist, die hintere Welle und das hintere Wellenrad zu beheizen, um
die unterschiedliche Wärmeausdehnung
zwischen dem hinteren Wellenrad 42 und dem Rad 18 der
vierten Stufe innerhalb einer akzeptablen vorbestimmten unterschiedlichen
Wärmeausdehnung
zu halten. Beispielsweise kann eine akzeptable Wärmedifferenz, welche die Falzverbindung 40 nicht
nachteilig beeinträchtigt,
bei etwa 80°F
oder weniger liegen. Das heißt
eine unterschiedliche Wärmeausdehnung
in dieser Größe bewirkt
keine relative Bewegung zwischen der hinteren Welle 44 und dem
Rad 18 der vierten Stufe, welche die Falzverbindung öffnen könnte. Demzufolge wird
durch Erwärmen
der Oberfläche
des hinteren Wellenrades 42 während des Abschaltvorgangs
die unterschiedliche Wärmeausdehnung
zwischen dem hinteren Wellenrad und dem Rad 18 der vierten
Stufe innerhalb vorbestimmter Grenzwerte gehalten.
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Umgekehrt
kann während
des Startvorgangs ein Kühlmedium
durch die Rohrleitungen 70 in den Hohlraum 60 geliefert
werden. Durch Kühlen
des hinteren Wellenrades, kann dessen Temperatur innerhalb des Bereichs
einer akzeptablen unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen dem
hinteren Wellenrad und dem Rad 18 der vierten Stufe gehalten
werden, da sich das Rad 18 langsamer aus dem in dem Heißgaspfad
strömenden
Heißgasen
erwärmt.
Sobald ein stabiler Betriebszustand erreicht ist und die unterschiedliche
Wärmeausdehnung
aufgrund eines im Wesentlich vorhandenen Temperaturgleichgewichts
zwischen dem Rad 18 und der hinteren Welle 44 innerhalb
akzeptabler Grenzwerte gehalten werden kann, kann die Zuführung des
Kühlmediums
zu der hinteren Welle 44 beendet werden.