Gasturbine mit gekühltem Rotor

Abstract

 Die Gasturbine weist einen aus mehreren Scheiben (7,8) zusammengeschweissten und beschaufelten Rotor (6) auf. Zwischen den Scheiben (7,8) sind Hohlräume (9) und in der Rotorpheripherie zwischen der Rotoroberfläche (15) und durch die Rotorschaufeln (13) bzw. Wärmestausegmentplatten gebildeten Plattformen (16) Axialkanöle (17) vorhanden. Erfindungsgemäss erfolgt eine Anspeisung dieser Axialkanäle (17) mit Kühlluft aus mindestens einem Hohlraum zwischen zwei Rotorscheiben (7,8). Der mindestens eine Hohlraum (9) steht mit den genannten Axialkanälen (17) dazu vorzugsweise über Verbindungsöffnungen (18) in Verbindung. Er wird von einem zentralen, vom stromabwärts liegenden Rotorende ausgehenden Kühlluftzufuhrkanal (20) gespeist. Die Kühlluft wird vorzugsweise am Mittelteil des Verdichters von der Prozessluft abgezapft, so dass sich eine Niederdruckkühlung ergibt.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Verbindung betrifft eine einwellige, stationäre Gasturbine zur Stromerzeugung mit einem aus mehreren Scheiben zusammengeschweissten und beschaufelten Rotor, wobei zwischen den Scheiben Hohlräume und in der Rotoroheripherie zwischen der Rotoroberfläche und durch die Rotorschaufeln bzw. Wärmestausegmentplatten gebildeten Plattformen mit Kühlluft gespeiste Axialkanäle vorhanden sind.

STAND DER TECHNIK

[0002] Gasturbinen dieser Art sind bekannt, wobei bei den bekannten Gastubinen die Kühlluft aus dem Hochdruckteil des Verdichters entnommen wird.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0003] Durch die vorliegende Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, wird die Aufgabe gelöst, bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art eine verbesserte Kühlung des Rotors zu schaffen. Erfindungsgemäss erfolgt dies demnach durch eine Anspeisung der Axialkanäle in der Rotorperipherie aus den Hohlräumen zwischen den Rotorscheiben. Die Hohlräume stehen dabei mit den genannten Axialkanälen vorzugsweise über Verbindungsöffnungen in Verbindung und werden über einen zentralen, vom stromabwärts liegenden Ende des Rotors ausgehenden Kühlluftzufuhrkanal gespeist.

[0004] Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Kühlluft am Mittelteil des Verdichters entnommen werden kann, wo sie noch einen tieferen Druck und eine tiefere Temperatur als am Verdichter-Ausgang aufweist. Im Vergleich mit der bekannten Hochdruckkühlung ist die sich in diesem Fall ergebende Niederdruckkühlung effektiver und kommt auch mit einem geringeren Kühlluftstrom aus. Auch sind die Verluste geringer und der Wirkungsgrad wird dadurch verbessert.

[0005] Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichent.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0006] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

schematisch eine erfindungsgemässe Gasturbine und

Fig. 2

eine Ausschnittsvergrösserung (Kreis A) von Fig. 1.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0007] Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbine weist einen Verdichter 1, eine Turbine 2, ein Abgasgehäuse 3 und einen Abgasdiffusor 4 auf. Mit 5 ist die Brennkammer und mit 6 der Rotor bezeichnet. Der Rotor 6 ist aus mehreren Scheiben in seiner Axialrichtung zusammengeschweisst, wobei zwischen den einzelnen Scheiben jeweils Hohlräume verbleiben. In Fig. 1 sind zwei Scheiben dargestellt und mit 7 bzw. 8 bezeichnet. Die Struktur der Hohlräume zwischen den Rotorscheiben ist in der Ausschnittsvergrösserung von Fig. 2 zu erkennen. Der dort dargestellte Hohlraum zwischen den Rotorscheiben 7 und 8 ist mit 9 bezeichnet. Er ist in seinem zentralen Bereich um die Rotorachse 10 schmal und weitet sich nach aussen zu einer Art Ringkammer 11 auf. Mit 12 ist die ringförmig voll umlaufende Schweissnaht zwischen den angrenzenden Rotorscheiben 7 und 8 bezeichnet. Im oberen Teil von Fig. 2 sind rein schematisch einige Rotorschaufeln 13 sowie Leitschaufeln 14 der Turbine 1 dargestellt. Zwischen der eigentlichen Rotoroberfläche 15 und ebenfalls nur rein schematisch dargestellten, durch die Rotorschaufeln bzw. durch Wärmestausegmentplatten gebildeten Plattformen 16 ist ein Axialkanal 17 vorhanden, der durch eine Dichtung 26 in einen Hochdruckabschnitt 17_HD und einen Niederdruckabschnitt 17_ND unterteilt ist. Mit dem Axialkanal stehen die Hohlräume 9 zwischen den Rotorscheiben über eine Anzahl von jeweils über den Umfang verteilten Verbindungsöffnungen bzw. Bohrungen 18 in Verbindung.

[0008] Wie wieder besser in Fig. 1 zu erkennen, ist der Rotor 6 entlang seiner Achse 10 mit einem, von der Stirnseite 19 seines stromabwärts liegenden Endes ausgehenden, zentralen Kanal 20 versehen. Durch den zentralen Kanal 20, die Hohlräume 9 und die Verbindungöffnungen 18 wird der Axialkanal 17 in der Rotorpheripherie mit Kühlluft gespeist.

[0009] Die Kühlluft wird im mittleren Teil des Verdichters von der dort bereits teilweise verdichteten Prozessluft abgezweigt und über eine Leitung 21 zur Stirnseite 19 des stromabwärts liegenden Rotorendes geführt. Die Leitung 21 durchsetzt dabei Hohlrippen 22 zwischen dem Aussenring 23 und dem Innenring 24 des Abgasdiffusors bzw. -gehäuses 3,4.

[0010] Es wird jetzt wieder auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort ist zu erkennen, dass die Verbindungsöffnungen 18 in den Hohlräumen 9 ganz aussen ansetzen, d.h. dort, wo diese ihren grössten Durchmesser bzw. radialen Abstand R1 aufweisen. Zu diesem Abstand und damit zu den Verbindungsöffnungen hin verjüngen sich die Ringkammern 11 der Hohlräme 9 jenseits des Radius R2 jeweils auch kontinuierlich. Dadurch ist sichergestellt, dass in der Kühlluft mitgeführter Schmutz sich nicht in den Hohlräumen 9 ansammeln kann, sondern durch die Verbindungsöffnungen 18 nach aussen herausgeschleudert wird. Dadurch werden neben Wärmedämmeffekten durch sich ablagernden Schmutz auch die durch Schmutzansammlungen verursachten Unwuchten des Rotors vermieden.

[0011] Die Schweissnaht 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel gegenüber den Verbindungsöffnungen 18 axial etwas versetzt angeordnet. Ihre Wurzel 25 kommt deshalb bei einem radialen Abstand R3 von der Rotorachse 10 zu liegen, der etwas kleiner ist als der radiale Abstand R1, von dem die Verbindungsöffnungen 18 ausgehen. Auf die Ausbildung von Taschen beidseitig der Schweissnaht 12 an der Aussenzone der Hohlräume 9 zur Entlastung der Schweissnahtwurzel 25, so wie dies bisher üblich war, wird aus den vorgenannten Gründen des Schmutzausschleuderns verzichtet.

[0012] Anders als in der nicht masstäblichen Darstellung von Fig. 2 ist es von Vorteil, die Schweissnaht 12 jeweils dicker zu machen als den geringsten gegenseitigen Abstand der Rotorscheiben.

BEZEICHNUNGSLISTE

[0013] 

1

Verdichter

2

Turbine

3

Abgasgehäuse

4

Abgasdiffusor

5

Brennkammer

6

Rotor

7

Rotorscheibe

8

Rotorscheibe

9

Hohlraum zwischen zwei Rotorscheiben

10

Rotorachse

11

Ringkammer

12

Schweissnaht

13

Rotorschaufeln

14

Leitschaufeln

15

Rotoroberfläche

16

Plattformen

17

Axialkanal in der Rotorperipherie

18

Verbindungsöffnungen

19

Stirnseite des stromabwärts liegenden Rotorendes

20

zentraler Kühlluftzufuhrkanal

21

Kühlluftleitung

22

Hohlrippen

23

Aussenring

24

Innenring

25

Schweissnahtwurzel

26

Dichtung HD gegen ND

Ansprüche

1. Einwellige, stationäre Gasturbine zur Stromerzeugung mit einem aus mehreren Scheiben (7,8) zusammengeschweissten und beschaufelten Rotor (6), wobei zwischen den Scheiben (7,8) Hohlräume (9) und in der Rotorpheripherie zwischen der Rotoroberfläche (15) und durch die Rotorschaufeln (13) bzw. Wärmestausegmentplatten gebildeten Plattformen (16) Axialkanäle (17) vorhanden sind, gekennzeichnet durch eine Anspeisung dieser Axialkanäle (17) mit Kühlluft aus mindestens einem der Hohlräume zwischen den Rotorscheiben.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Hohlräume (9) zwischen den Rotorscheiben (7,8) mit den genannten Axialkanälen (17) in der Rotorperipherie über Verbindungsöffnungen (18) in Verbindung stehen und dass entlang der Achse (10) des Rotors )6) ein zentraler Kühlluftzufuhrkanal (20) vorgesehen ist.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Rotor-Kühlluftzufuhrkanal (20) von der Stirnseite (19) des stromabwärts liegenden Rotorendes ausgeht und dass die Kühlluft dort in ihn eingespeist wird.

4. Gasturbine nach Anspruch 3 und mit einem Abgasdiffusor (4), welcher einen das stromabwärts liegende Rotorende aufnehmenden Innenring (24), einen Aussenring (23) sowie Innen- und Aussenring miteinander verbindende Hohlrippen (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft in wenigstens einer Kühlluftleitung (21) durch wenigstens eine der Hohlrippen (22) zum stromabwärts liegenden Rotorende geführt wird.

5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft am Mittelteil des Verdichters (1) abgezapft wird.

6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Verbindungsöffnungen (18) in dem mindestens einen Hohlraum (9) dort ansetzen, wo der Hohlraum (9) seinen grössten radialen Abstand (R1) von der Rotorachse (10) aufweist.

7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und bei welcher die einzelnen Rotorscheiben (7,8) in ihren Randzonen jeweils über eine ringförmig verlaufende Schweissnaht (12) miteinander verschweisst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissnaht (12) jeweils gegenüber den genannten Verbindungsöffnungen (18) axial versetzt angeordnet ist.

8. Gasturbine nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand (R1) von der Rotorachse (10), von dem die Verbindungsöffnungen (10) ausgehen, grösser ist als der radiale Abstand (R3), an dem die Wurzel der Schweissnaht (12) angeordnet ist.

9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mindestens eine Hohlraum (9) zwischen den Rotorscheiben (7,8) zumindest jenseits eines gewissen radialen Abstandes (R2) von der Rotorachse (10) kontinuierlich zu den Verbindungöffnungen (18) hin verjüngt.

Zeichnung