Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, beinhaltend unter anderem eine Welle,
welche Welle sich im Betrieb um eine Rotationsachse dreht, und welche Welle im Betrieb
an einer radial aussen liegenden Grenzfläche von einem Medium hoher Temperatur beaufschlagt
wird, welche Welle weiterhin in ihrem Inneren mindestens einen Hohlraum einschliesst,
und welche Welle mit Mitteln zur Zufuhr eines frischen Kühlmediums in den Hohlraum
und zur Abfuhr eines erwärmten Kühlmediums aus dem Hohlraum versehen ist.
Stand der Technik
[0002] Im Gasturbinenbau ist ein Trend zu grossen Einheitenleistungen zu beobachten. Die
realisierten Prozesstemperaturen- und Drücke steigen ebenfalls stetig an. In Folge
wurden in der Vergangenheit effiziente Kühlmethoden für thermisch hochbelastete Komponenten
wie die Turbinenschaufeln entwickelt. Aufgrund der zunehmenden Einheitenleistung tritt
jedoch auch die Welle der Maschinen zusehends ins Blickfeld, deren mit der Baugrösse
steigende mechanische Beanspruchung bei gleichzeitig steigenden Materialtemperaturen
zum Einsatz immer teuerer und schwierig zu bearbeitender Werkstoffe führt
[0003] Insbesondere bei grossen Einheitenleistungen zeigt sich die Überlegenheit geschweisster
Wellen gegenüber anderen Bauarten wie Scheibenläufern, welche durch einen oder mehrere
Zuganker verbunden sind. Beispielsweise neigt insbesondere ein Scheibenläufer mit
einem zentralen Zuganker bei hohen zu übertragenden Drehmomenten zum Verdrehen. Solche
Probleme treten bei geschweisten Wellen naturgemäss nicht auf. Andererseits ist man
auf eine gute Schweissbarkeit der verwendeten Werkstoffe angewiesen, was beim Einsatz
hochwarmfester Werkstoffe immer weniger gegeben ist. Gleichzeitig stellen solche Werkstoffe
auch Probleme bei der spanenden Bearbeitung der Wellen.
[0004] Daher ist anzustreben, die Temperatur zumindest der mechanisch hochbelasteten Bereiche
der Welle niedrig zu halten. Insbesondere dann, wenn die Temperatur unterhalb etwa
300°C gehalten werden kann, ist der Einsatz konventioneller Stähle möglich. Freilich
ist hierzu eine effiziente Kühlung der Welle notwendig.
[0005] In der Vergangenheit wurden mehrfach vorgeschlagen, die Wellen von Gasturbinen zu
kühlen. Hierbei wurde anhin die Kühlung mit Verdichterluft bevorzugt. EP 761 929 A1
und DE 44 11 616 A1 geben Möglichkeiten an, Gasturbinenrororen mittels Verdichterluft
zu kühlen. Derartige Kühlungseinrichtungen lassen sich besonders leicht realisieren,
wenn die Welle aus einzelnen Scheiben besteht, die miteinander verschweisst sind,
und Hohlräume einschliessen. Mit derartigen Kühlmethoden ist es jedoch nur beschränkt
möglich, die Temperatur der Welle signifikant zu senken. Dies ist einerseits darin
begründet, dass nur eine begrenzte Menge an Kühlluft zur Verfügung steht, andererseits
hat bereits die Hochdruck-Verdichterluft, welche einem modernen Gasturbinenprozess
entnommen wird, eine höhere Temperatur als die oben geforderte. Weiterhin vereitelt
der relative schlechte Wärmeübergang der Luft eine effiziente Konvektionskühlung der
Welle. So fokussieren die zitierten Druckschriften auf Verfahren, die eine Steuerung
des zeitlichen Temperaturverlaufs und damit der thermischen Dehnung der Welle in transienten
Betriebszuständen ermöglichen.
[0006] Neueste Entwicklungen haben die Prozesseckdaten soweit nach oben getrieben, dass
im stationären Betrieb einer Gasturbine Massnahmen zum Schutz der Welle vor Überhitzung
getroffen werden müssen. So schlägt DE 196 17 539 A1 vor, innerhalb der oben erwähnten
Hohlräume, die im Inneren einer geschweissten Welle vorliegen, radiale Führungsstege
einzubringen, welche die Kühlung verbessern. Aus DE 196 15 549 ist weiterhin bekannt,
die in Turbinen weitverbreiteten Wärmestausegmente, die einen unmittelbaren Kontakt
der Welle mit dem heissen Arbeitsmedium verhindern, bei entsprechenden Prozesseckdaten
auch in den letzten Stufen des Verdichters einzusetzen.
[0007] Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Massnahmen gelingt es jedoch nicht, die
Temperatur des Rotors einer modernen Gasturbine, mit hohem Verdichterenddruck und
hoher Turbineneintrittstemperatur, auf ein Niveau zu begrenzen, bei dem gut bearbeitbare
und schweissbare konventionelle Stähle, wie beispielsweise 2 - 3% Nickel-Stähle, ohne
besondere Berücksichtigung ihrer Hochtemperatureigenschaften verwendet werden können.
Darstellung der Erfindung
[0008] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
es also, bei einer Wärmekraftmaschine, beinhaltend unter anderem eine Welle, welche
Welle sich im Betrieb um eine Rotationsachse dreht, und welche Welle im Betrieb an
einer radial aussen liegenden Grenzfläche von einem Medium hoher Temperatur beaufschlagt
wird, welche Welle weiterhin in ihrem Inneren mindestens einen Hohlraum einschliesst,
und welche Welle mit Mitteln zur Zufuhr eines frischen Kühlmediums in den Hohlraum
und zur Abfuhr eines erwärmten Kühlmediums aus dem Hohlraum versehen ist, die Welle
so auszuführen, dass die Welle im Betrieb sehr effizient gekühlt ist.
[0009] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Hohlraum beim Betrieb der Wärmekraftmaschine
fortwährend mit einem Kühlmedium gefüllt ist, welches Kühlmedium in Form einer Flüssigkeit
oder eines Mediums unter überkritischem Druck vorliegt. Aufgrund der volumenspezifisch
um Grössenordnungen höheren Wärmekapazität und des ebenfalls deutlich höheren Wärmeübergangs
wird die Kühlung gegenüber einem gasförmigen Kühlmedium deutlich gesteigert.
[0010] Besonders zweckmässig lässt sich die Erfindung realisieren, wenn die Wärmekraftmaschine
mit einer geschweissten Welle ausgestattet ist, wobei die Welle aus einzelnen, in
Längsrichtung aneinandergefügten Segmenten besteht, welche Segmente so geformt sind,
dass zwischen jeweils zwei Segmenten ein Hohlraum im Inneren der Welle eingeschlossen
ist, und welche Segmente dergestalt miteinander verbunden sind, dass jeder Hohlraum
gegen die radial aussen liegende Grenzfläche der Welle hermetisch abgeschlossen ist.
Wellen dieser Bauart beinhalten ohnehin schon Hohlräume, die sich aufgrund des hermetischen
Abschlusses der Fügeverbindung einfach mit einer Kühlflüssigkeit füllen lassen. Primär
sind ausser den Mitteln zur Zu- und Abfuhr des Kühlmediums sowie gegebenenfalls Verbindungskanälen
zwischen den Hohlräumen keine konstruktiven Änderungen der Welle notwendig. Ausführungsformen
einer solchen Welle ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0011] Beim Einsatz einer erfindungsgemässen stark gekühlten Welle wird es in den meisten
Fällen weiterhin zweckmässig sein, das Gehäuse ebenfalls zu kühlen, damit es nicht
durch die stark unterschiedlichen thermischen Dehnungen von Rotor und Stator zu übermässigen
Spaltverlusten kommt.
[0012] Bevorzugte Ausführungen der Welle und der Prozessführung des Kühlmittels ergeben
sich ebenfalls aus den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0013] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erlätert. Im einzelnen zeigen.
Dabei zeigt Fig. 1 ein schematisch ein Erfindungsgemässe Turbomaschinenwelle. Fig
2 zeigt Beispiele für die Ausgestaltung der Kühlmittelführung in peripheren Bereichen
einer Welle. Fig. 3 illustriet eine Möglichkeit der internen Kühlmittelführung in
einem geschweisten Scheibenläufer.
[0014] Im den Figuren 4 und 5 sind Möglichkeiten zur Integration der Laufschaufelkühlung
in das erfindungsgemässe Kühlsystem dargestellt.
[0015] Fig. 6 zeigt schliesslich die Integration des erfindungsgemässen Kühlsystem in ein
Kombikraftwerk.
[0016] In der Zeichnung sind im Sinne einer besseren Übersichtlichkeit alle nicht zum unmittelbaren
Verständnis notwendigen Details weggelassen. Die schematischen Figuren stellen nur
Beispiele dar, und dürfen nicht in einschränkendem Sinne verstanden werden.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0017] Fig. 1 zeigt schematisch die Welle 20 einer Gasturbine. Elemente, die nicht zum unmittelbaren
Verständnis der Erfindung notwendig sind, wie beipielsweise die Lagerung der Welle,
sind fortgelassen. An ihrem äusseren Umfang ist die Welle im wesentlichen mit Verdichter-Laufschaufeln
50 und Turbinen-Laufschaufeln 60 versehen, welche den Verdichterabschnitt 5 und den
Turbinenabschnitt 7 definieren. Die Welle beinhaltet einen Hohlraum 40, sowie Mittel
22 zur Zufuhr eines frischen Kühlmediums 41 in den Hohlraum und Mittel 21 zur Abfuhr
eines erwärmten Kühlmediums 42 aus dem Hohlraum. Im Betrieb wird die Welle insbesondere
im Turbinenteil 7 sowie zwischen dem Turbinenteil 7 und dem Verdichterteil 5 von einem
heissen Gas umströmt, dessen Temperatur höher als die zulässige Materialtemperatur
der Welle 20 ist. Der Hohlraum 40 ist im Betrieb mit einer Flüssigkeit gefüllt. Dabei
ist der Druck der Flüssigkeit so zu wählen, dass es nicht zur Verdampfung der erwärmten
Kühlflüssigkeit im Hohlraum 40 kommt. Weiterhin wird die Temperatur der Flüssigkeit
im Hohlraum 40 begrenzt, indem fortwährend frische Kühlflüssigkeit 41 über den Kühlmittelzulauf
22 zugeführt und erwärmte Kühlflüssigkeit 42 über den Rücklauf 21 abgeführt wird.
[0018] Die Bezeichnung des Kühlmittels als Kühlflüssigkeit ist hier nicht immer physikalisch
exakt: Bei entsprechend hohem Druck kann das Kühlmittel auch ohne weiteres ein überkritisches
Medium sein. Aus Gründen der Einfachheit wird im Ausführungsbeispiel von einer Flüssigkeit
ausgegangen; die Verallgemeinerung ist für den Fachmann trivial.
[0019] Die radiale Lage der Zulauf- bzw. Rücklauföffnungen 21, 22 ist hier nicht primär
erfindungswesentlich; es wird jedoch zweckmässig sein, wenn, wie in Fig. 1, die Zuläufe
näher an der Rotationsachse 10 der Welle angeordnet sind, als die Rückläufe 42. Dies
ist darin begründet, dass die Flüssigkeit innerhalb des Hohlraums mit der Welle 20
um die Rotationsachse 10 rotiert. Somit wird bei der dargestellten Anordnung die Kühlflüssigkeit
41, die durch die Zuläufe 22 in den Hohlraum 40 einströmt, radial nach aussen gefördert,
und strömt, nachdem sie Wärme aus der Welle aufgenommen hat, durch die Rückläufe 21
ab. Damit fördert die Welle die Kühlflüssigkeit selbst.
[0020] Andererseits baut sich aufgrund der Rotation der Welle in dem Hohlraum 40 ein Druckfeld
auf, dergestalt, dass die Flüssigkeit im Hohlraum 40 ja in Gestalt eines Festkörperwirbels
mit der Welle 20 um die Rotationsachse 10 rotiert, und somit der Druck in der Flüssigkeit
vom Zentrum nach aussen zunimmt. In Bereichen, die radial ausserhalb eines Kühlmittelrücklaufs
21 liegen, strömt somit erwärmete Kühlflüssigkeit aufgrund der hydrostatischen Druckverteilung
in Richtung geringeren Druckes, das heisst zum Zentrum der Welle hin, ab, und wird
durch kühles Medium ersetzt, was weiterhin zu einem guten Wärmeübergang zwischen dem
Material der Welle 20 und der Kühlflüssigkeit beiträgt.
[0021] Die hydrostatische Druckverteilung innerhalb des Hohlraums 40 ermöglicht weiterhin
auch die Kühlung exponierter Segmente der Welle durch Sacklöcher, was in Fig. 2 dargestellt
ist. Die Figur zeigt den Turbinenabschnitt einer Welle 20, welche mit radialen Führungsnuten
zur Aufnahme von Laufschaufeln 60 versehen ist. Zur Halterung der Schaufeln 60 sind
aus der Welle 20 hervorstehende Halterungen 25 vorgesehen. Im Gegensatz zu anderen
Segmenten der Welle, die beispielsweise mit Wärmestausegmenten versehen sein können,
sind die Halterungen 25 an Ihrer Oberfläche der Heissgasströmung unmittelbar ausgesetzt
und infolgedessen thermisch besonders hoch belastet. Zudem werden die Halterungen
auch mechanisch stark beansprucht, da sie die fliehkraftbeaufschlagten Laufschaufeln
60 halten und deren Umfangskraft auf die Welle übertragen müssen. Zur Kühlung der
Halterungen 25 können nun von einem Hohlraum 40 abzweigende und in die Halterungen
25 hineinragende Sackbohrungen 405 in die Welle 20 eingebracht werden. Kühlflüssigkeit,
die in den Sackbohrungen 405 erwärmt wird, oder gar verdampft, strömt aufgrund der
beschriebenen Druckverteilung durch eine natürliche Konvektionsströmung in den Hohlraum
40 zurück und wird durch frische Kühlflüssigkeit ersetzt.
[0022] Die Ausbildung dieses Strömungs- und Druckfeldes innerhalb des Hohlraums wird begünstigt,
wenn der Hohlraum mit radialen Rippen versehen wird, wie sie bereits aus der DE 196
17 539 zum Einsatz mit luftgekühlten Wellen bekannt sind, wobei diese Schrift einen
integrierenden Bestandteil der vorliegenden Beschreibung darstellt. Diese Massnahme
verhindert weiterhin die Erzeugung schädlicher Sekundärströmungen mit starken Umfangskomponenten.
[0023] Die beschriebene Kühlung lässt sich herstellungstechnisch besonders einfach realisieren
bei geschweissten Wellen, wie sie beispielsweise aus der DE 26 33 829 bekannt sind.
Diese bestehen aus einzelnen, im Wesentlichen scheibenförmigen Segmenten, die in Längsrichtung
aneinandergefügt und mittels umlaufender Schweissungen miteinander verbunden werden.
Bauartbedingt schliessen diese Wellen zwischen den Längssegmenten Höhlräume ein, die
durch die umlaufenden Schweissnähte hermetisch nach aussen abgedichtet sind. Vor dem
Fügen kann eine Bearbeitung des Innenraums der Welle, beispielsweise, um die oben
beschriebenen Sacklöcher einzubringen, sehr einfach realisiert werden. Hier muss eine
Verbindung zwischen den einzelnen Hohlräumen realisiert werden, wie in einem in Fig.
3 dargestellten Beispiel skizziert. Die Welle 20 besteht in diesem Beispiel aus den
Segmenten 201, 202, 203, 204, 205, 206 und 207, die miteinander verschweisst sind.
Die Welle schliesst zwischen den Segmenten die Hohlräume 40 ein. Zuläufe 22 und Rückläufe
21 sind in diesem Beispiel an einem turbinenseitigen Wellenstumpf angeordnet, wobei
diese exemplarische Anordnung in keinem Fall in einem einschränkenden Sinne zu verstehen
ist. Alle Segmente, bis auf das am weitesten vom Kühlmittelzulauf entfernte, sind
mit einer zentralen Bohrung versehen, durch die ein Rohr 28 hindurchgeführt ist. Radial
weiter aussen gelegen sind Verbindungskanäle 23 zwischen den einzelnen Hohlräumen
40 eingebracht. Frische Kühlflüssigkeit 41 strömt durch das zentrale Rohr 28 in den
am weitesten entfernten Hohlraum, und durch die Bohrungen 23 werden sukzessive die
weiteren Hohlräume von der Flüssigkeit durchströmt, wobei die Kühlflüssigkeit Wärme
aus dem Wellenmaterial aufnimmt und durch die Rückläufe 21 abführt. Selbstverständlich
sind auch andere interne Führungen der Kühlflüssigkeit möglich, wobei beispielsweise
jeder Hohlraum 40 mit einer eigenen Kühlmitteleinspeisung versehen sein könnte. Derartige
konstruktive Details ergeben sich im konkreten Fall beispielsweise aus einer angestrebten
Temperaturverteilung.
[0024] In den Figuren 4 und 5 sind Möglichkeiten dargestellt, thermisch hochbelastete Rotorkomponenten,
wie Turbinen-Laufschaufeln oder Wärmestausegmente, mittels der dem Hohlraum 40 zugeführten
Flüssigkeit zu kühlen. Hierzu wird beispielsweise eine Turbinen-Laufschaufel 60, die
von einem Heissgas 8 angeströmt wird, mit Kühlkanälen 406 versehen, die mit dem Hohlraum
40 in Verbindung stehen. Analog zu den in Fig. 2 dargestellten Sacklöchern 405 werden
auch die Kanäle 406 bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel aufgrund der infolge
der Erwärmung der Kühlflüssigkeit auftretenden Dichteunterschiede und der beschriebenen
Druckverteilung von Kühlmittel durchströmt. Ebenso ist es möglich, anstatt die Kühlflüssigkeit
in einem Kreislauf zu führen, die Mittel zur Abfuhr des erwärmten Kühlmittels 21 als
Öffnungen in der Laufschaufel 60 auszuführen, dergestalt, dass das unter Druck stehende
und aufgeheizte Kühlmittel 42 vollständig oder teilweise dem Wärme-Kraftprozess zugeführt
wird, wodurch die der Welle und den Laufschaufeln entzogene Wärme unmittelbar wieder
genutzt wird.
[0025] Die beschriebene gekühlte Gasturbinenwelle kann in eine Vielzahl von Schaltungsvarianten
zur Kühlung thermisch hochbelasteter Komponenten und zur Leistungserhöhung von Gasturbinen
integriert werden, wie sie beispielsweise aus der EP 0 597 305 B1, der DE 44 09 567
A1, der US 5 689 948, oder der EP 0 808 994 A2 bekannt sind. Ebenso kann eine erfindungsgemässe
flüssigkeitsgekühlte Welle auch als Vorwärmstufe in einer Kombi-Anlage eingesetzt
werden. In der Welle erwärmte Flüssigkeit -zum Beispiel Wasser - kann an beliebiger
Stelle sowohl zur Leistungserhöhung oder zur Stickoxidreduktion in einen Gasturbinenkreislauf
eingebracht werden, oder zur Erzeugung von Prozessdampf dienen.
[0026] Ein Beispiel für eine mögliche Prozessführung ist in Fig. 6 dargestellt. Eine Gasturbine
besteht im wesentlichen aus einem Rotor 20 und einem Stator oder Gehäuse 72. Aus der
Umgebung wird eine Luftmenge 81 angesaugt, und im Verdichter 5 verdichtet. In der
Brennkammer 6 wird der verdichteten Luft eine Brennstoffmenge 82 zugeführt und verbrannt.
Das entstandene Heissgas wird sodann in der Turbine 7 entspannt, wobei ein Drehmoment
auf den Rotor übertragen wird. Die in der Turbine dem gespannten Heissgas entnommene
Leistung dient zum Antrieb des Verdichters 5 und einer Nutzlast, beispielsweise eines
Generators 73. Aus der Turbine strömt ein heisses Gas 83 aus, dem weiterhin Wärme
in einem Abhitzedampferzeuger 75 entzogen wird. Eine Pumpe 77 fördert eine Flüssigkeitsmenge
45, beispielsweise Wasser, auf einen erhöhten Druck. Die unter Druck stehende Flüssigkeit
wird dem Kühlmittelzulauf der Welle als frische Kühlflüssigkeit 41 zugeführt. Diese
wird in dem Hohlraum innerhalb der Welle 20 erwärmt und strömt als erwärmte Kühlflüssigkeit
42 ab. Die bereits erwärmte Kühlflüssigkeit wird nachfolgend dem Stator 72 der Gasturbine
zugeführt und kühlt diesen. Selbstverständlich kann die Gehäusekühlung auch unmittelbar
mit frischer Kühlflüssigkeit 41 erfolgen, oder mit Dampf, der dem Wasser-Dampf-Kreislauf
an einer beliebigen anderen Stelle entnommen wird. Dabei wird die Flüssigkeit weiter
erwärmt oder verdampft. Das erwärmte Medium 43 kann nachfolgend als Prozessdampf verwendet
werden, oder einem Wasser-Dampf-Kreislauf zugeführt werden, wobei die hier dargestellte
Schaltung selbstverständlich keine Einschränkung darstellt; es wurde hier lediglich
eine einfache Schaltungsvariante zur Illustration aus der Vielfalt der Möglichkeiten
herausgegriffen. In dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Kühlmedium
43 nach erfolgter Gehäusekühlung einem Abhitzedampferzeuger 75 zugeführt, und strömt
als überhitzter Dampf 44 einer Dampfturbine 74 zu, in der die der Gasturbine durch
Kühlung und heisses Abgas entzogene Wärme zur Erzeugung einer weiteren mechanischen
Leistung genutzt wird. Nachfolgend wird der entspannte Dampf in einen Kondensator
76 geleitet und steht wieder als Kühlflüssigkeit zur Verfügung.
[0027] Wo dies zweckmässig ist, kann das erwärmte Kühlmedium 42, 43 ganz oder teilweise
an geeigneter Stelle dem Arbeitsmedium der Gasturbine zugeführt werden, was oben bereits
angedeutet wurde.
[0028] Um die der Welle 20 zu entziehende Wärmeleistung zu reduzieren, wird es sich insbesondere
dann, wenn die Gasturbine mit hohen Druckverhältnissen und ohne Zwischenkühlung der
Verdichterluft arbeitet, zweckmässig erweisen, bereits in den letzten Verdichterstufen
Wärmestausegmente einzubauen, wie in der DE 196 15 549 A1 beschrieben.
[0029] Abschliessend bleibt festzuhalten, dass die erfindungsgemässe Welle insbesondere
in Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung, wie sie in den US-Patentschriften 5,577,378
und 5,454,220 beschrieben sind, aufgrund der dort vorliegenden extremen Prozessdaten
mit Vorteil einzusetzen ist, wobei die zitierte Schrift einen integrierenden Bestandteil
der vorliegenden Beschreibung darstellt.
Bezugszeichenliste
[0030]
- 5
- Verdichterabschnitt
- 6
- Brennkammer
- 7
- Turbinenabschnitt
- 8
- Heissgas
- 10
- Rotationsachse
- 20
- Turbomaschinenwelle
- 21
- Mittel zur Abfuhr erwärmten Kühlmediums (Zulauf)
- 22
- Mittel zur Zufuhr frischen Kühlmediums (Rücklauf)
- 23
- Verbindungskanal
- 25
- Halterung
- 28
- Rohr
- 40
- Hohlraum
- 41
- Frisches Kühlmedium
- 42
- Erwärmtes Kühlmedium aus dem Rotor
- 43
- Erwärmtes Kühlmedium aus dem Stator
- 44
- Überhitzter Dampf
- 45
- Flüssigkeitsmenge
- 50
- Verdichter-Laufschaufel
- 60
- Turbinen-Laufschaufel
- 72
- Stator
- 73
- Generator
- 74
- Dampfturbine
- 75
- Abhitzedampferzeuger
- 76
- Kondensator
- 77
- Pumpe
- 81
- Luftmenge
- 82
- Brennstoffmenge
- 83
- Heissgas
- 201
- Rotorscheibe
- 202
- Rotorscheibe
- 203
- Rotorscheibe
- 204
- Rotorscheibe
- 205
- Rotorscheibe
- 206
- Rotorscheibe
- 207
- Rotorscheibe
- 405
- Kühlkanal
- 406
- Kühlkanal
1. Wärmekraftmaschine, beinhaltend unter anderem eine Welle (20), welche Welle sich im
Betrieb um eine Rotationsachse (10) dreht, und welche Welle im Betrieb an einer radial
aussen liegenden Grenzfläche von einem Medium hoher Temperatur beaufschlagt wird,
welche Welle weiterhin in ihrem Inneren mindestens einen Hohlraum (40) einschliesst,
und welche Welle mit Mitteln (21,22) zur Zufuhr eines frischen Kühlmediums (41) in
den Hohlraum und zur Abfuhr eines erwärmten Kühlmediums (42) aus dem Hohlraum versehen
ist, dadurch gekennzeichnet, der Hohlraum beim Betrieb der Wärmekraftmaschine fortwährend
mit einem Kühlmedium gefüllt ist, welches Kühlmedium in Form einer Flüssigkeit oder
eines Mediums unter überkritischem Druck vorliegt.
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Welle aus einzelnen, in Längsrichtung
aneinandergefügten Segmenten (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207) besteht, welche Segmente
so geformt sind, dass zwischen jeweils zwei Segmenten ein Hohlraum (40) im Inneren
der Welle eingeschlossen ist, und welche Segmente dergestalt miteinander verbunden
sind, dass jeder Hohlraum gegen die radial aussen liegende Grenzfläche der Welle hermetisch
abgeschlossen ist, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Hohlräume
durch zentrale Öffnungen miteinander verbunden sind, und dass mindestens ein Hohlraum
mit besagtem Mittel zur Zufuhr des frischen Kühlmediums verbunden ist, dergestalt,
dass das frische Kühlmedium durch Öffnungen in jeden der Hohlräume einströmt, und
dass jeder Hohlraum über mindestens eine Öffnung zur Abfuhr des erwärmten Kühlmediums
aus diesem Hohlraum angebracht ist.
3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Welle aus einzelnen, in Längsrichtung
aneinandergefügten Segmenten (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207) besteht, welche Segmente
so geformt sind, dass zwischen jeweils zwei Segmenten ein Hohlraum (40) im Inneren
der Welle eingeschlossen ist, und welche Segmente dergestalt miteinander verbunden
sind, dass jeder Hohlraum gegen die radial aussen liegende Grenzfläche der Welle hermetisch
abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Wellenendes ein Kühlmittelzulauf
(22) angebracht ist, dass ein Rohr (28) mit diesem Kühlmittelzulauf verbunden ist,
welches Rohr durch zentrale Öffnungen in den Wellensegmenten hindurchgeführt ist,
und welches Rohr in einem der Hohlräume endet, dergestalt, dass das frische Kühlmittel
durch das Rohr in eben diesen Hohlraum einströmt, und, dass dieser Hohlraum mit mindestens
einem weiteren Hohlraum durch Öffnungen in den Segmenten verbunden ist.
4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 wobei die Welle innerhalb eines Gehäuses angeordnet
ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (72) der Maschine gekühlt ist.
5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle mit weiteren
Komponenten wie beispielsweise Lautschaufeln (60) oder Wärmestausegmenten (28) bestückt
ist, und dass zumindest ein Teil des innerhalb der Welle erwärmten Kühlmediums zur
Kühlung dieser Komponenten verwendet wird.
6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Abfuhr
des erwärmten Kühlmediums aus den Hohlräumen im Inneren der Welle dergestalt ausgeführt
sind, dass zumindest ein Teil des erwärmten Kühlmediums in das Arbeitsmedium (8) der
Wärmekraftmaschine einströmt.
7. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mittel
zur Abfuhr von erwärmtem Kühlmedium ein Rücklauf ist.
8. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf mit
weiteren thermisch hochbelasteten Komponenten (72) der Wärmekraftmaschine verbunden
ist, dergestalt, dass innerhalb der Welle erwärmtes Kühlmedium zur Kühlung der weiteren
Komponenten verwendbar ist.
9. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil
des Kühlmediums in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist.
10. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium in
dem geschlossenen Kreislauf einen Kühler (76) durchströmt.
11. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium in
dem geschlossenen Kreislauf mindestens einen Verdampfer und Überhitzer (75) und eine
Turbine (74) durchströmt.
12. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Zufuhr
(22) von frischem Kühlmedium (41) näher an der Rotationsachse (10) der Welle liegen
als Mittel zur Abfuhr (21) erwärmten Kühlmediums (42).
13. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Hohlraums
Einbauten zur Führung des Kühlmediums vorhanden sind.
14. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Führung
des Kühlmediums im wesentlichen radial verlaufende Rippen sind.
15. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle in den
letzten Verdichterstufen mit Wärmestausegmenten versehen ist.
16. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine
eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung ist.