DE69618492T2 - Geschlossener oder offener Kühlkreislauf für die Komponenten eines Turbinenrotors - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Turbinen und insbesondere auf Land-basierte Gasturbinen, die entweder Dampfkühlung in einem geschlossenen Kreislauf oder Luftkühlung in einem offenen oder geschlossenen Kreislauf von Komponenten in heißer Gasströmungsbahn verwenden. Genauer gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Dampfkühlung in geschlossenem Kreislauf oder Luftkühlung im offenen oder geschlossenen Kreislauf von den drehbaren Teilen der Turbine, wodurch eine Umwandlung des Turbinenrotors zwischen Luft- und Dampfkühlung ermöglicht wird.
• Eine bekannte Kühlanordnung ist in GB-A-664 628 gezeigt und beschrieben.
• Gasturbinenkomponenten in der heißen Gasströmungsbahn verwenden üblicherweise Luftkonvektions- und Luftfilmtechniken zum Kühlen von Oberflächen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Hochdruckluft wird üblicherweise von dem Verdichter abgezapft, und die Energie beim Verdichten der Luft ist verloren, nachdem die Luft zur Kühlung verwendet ist. Eine Dampfkühlung von Komponenten der heißen Gasströmungsbahn ist vorgeschlagen worden, wobei verfügbarer Dampf von beispielsweise dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator und/oder Dampfturbinenkomponenten von einem kombinierten Kraftwerk verwendet wird. Wo Dampf als das Kühlmittel für Gasturbinenkomponenten verwendet wird, gibt es üblicherweise einen Nettoeffizienzgewinn, da die Gewinne, die durch Nicht-Abzapfen von Kompressorabzapfluft für Kühlzwecke (üblicherweise in einer Konfiguration mit offenem Zyklus) realisiert wird, die Verluste mehr als ausgleichen, die mit der Verwendung von Dampf als ein Kühlmittel anstelle der Lieferung von Energie zum Antreiben der Dampfturbine verbunden sind. Dampfkühlung ist sogar noch vorteilhafter, wenn das Dampf- Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf vorgesehen ist, wodurch die Wärmeenergie, die dem Dampf erteilt wird, wenn er die Gasturbinenkomponenten kühlt, als nutzbare Arbeit beim Antreiben der Dampfturbine zurückgewonnen wird.
• Aufgrund der Unterschiede in den Wärmeübertragungs- Charaktieristiken zwischen Luft und Dampf würde erwartet werden, dass Turbinenkomponenten, die zur Verwendung dieser Kühlmedien ausgelegt sind, unterschiedlich konstruiert sein würden. Beispielsweise würde von Turbinenschaufeln, die für eine Kühlung durch eine offene Luftkühlung ausgelegt sind, erwartet werde, dass sie wesentlich unterschiedlich von Turbinenschaufeln sind, die für eine Kühlung durch Dampf in einem geschlossenen Kreislauf gestaltet sind. Im Falle von Dampfkühlung würde das Kühlmittel von den Turbinenschaufeln zurückgewonnen werden, um anderswo nutzbare Arbeit zu erbringen. Im Falle von Luftkühlung würde die Luft üblicherweise aus den Schaufeln in die heiße Gasströmungsbahn ausgestoßen. Von den Innenkanälen, die die Kühlkreise für die drehbaren Komponenten in der heißen Gasströmungsbahn bilden, würde üblicherweise erwartet werden, dass sie unterschiedlich gestaltet sind.
• Damit eine Gasturbine die Flexibilität hat, entweder mit Luft oder Dampf gekühlt zu werden (ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, die nachfolgend beschrieben wird), ist es notwendig, dass die Kühlkreise so gestaltet sind, dass sie an beide Kühlmedien angepasst sind. Ein Kunde, der beispielsweise ein Gasturbinen-Kraftwerk mit einfachem Zyklus kauft, müsste die Turbinenkomponenten durch Luft kühlen lassen, wenn es keine verfügbare Quelle eines alternativen Kühlmittels gab. Wenn jedoch der Kunde später seine Anlage auf eine Anlage höherer Leistung mit kombiniertem Zyklus erweitert, würde Dampf als ein Kühlmittel leicht verfügbar sein, und es würde vom Standpunkt der Effizienz vorteilhaft sein, diesen Dampf zu verwenden, um die Turbine zu kühlen. Infolgedessen ist ein Problem, auf die die vorliegende Anmeldung gerichtet ist, die Bereitstellung von Kühlkreisen in den Drehkomponenten von einer Gasturbine, die auf einfache Weise umgewandelt werden können, um derartige Komponenten unter Verwendung von entweder Luft oder Dampf als Kühlmedium zu kühlen.
Offenbarung der Erfindung
• Zu Erläuterungszwecken weist die neue Turbine, die hier beschrieben und dargestellt ist, vorzugsweise vier Stufen innerhalb eines inneren Gehäuses auf, das die Düsen der ersten und zweiten Stufen und auch die Mäntel der ersten und zweiten Stufe befestigt, während ein äußeres Gehäuse die Düsen und Mäntel der dritten und vierten Stufe befestigt. Es wird jedoch deutlich, dass eine größere oder kleinere Anzahl von Turbinenstufen und auch eine andere Anzahl von Düsenstufen und Mänteln, die von den inneren und äußeren Gehäusen getragen werden, vorgesehen sein können. Wo eine luftgekühlte Turbine vorgesehen ist, wird auch deutlich, dass Kühlluft den stationären Komponenten zugeführt wird, z. B. den Düsen der ersten und zweiten Stufe, als Teil der Hochdruckluft von dem Verdichter. Die Kühlluft wird in einem offenen Kreislauf zugeführt, die die Trennwände oder Schaufeln der Düsen der ersten und zweiten Stufe zur Filmkühlung und einen Eintritt in die heiße Gasströmung verlässt. Die Kühlluft kann in ähnlicher Weise direkt durch das äußere Gehäuse zur Düse der dritten Stufe geleitet werden, während die Düse der vierten Stufe ungekühlt bleibt. Offene luftgekühlte Kreise sind auch für die drehbaren Komponenten der Turbine, d. h. den Laufschaufeln, in einer üblichen Weise vorgesehen.
• In einem Dampfkühlsystem mit geschlossenem Kreislauf für die Turbine wird Kühldampf an jede Düsenabtrennung der ersten und zweiten Stufen durch diskrete Dampfversorgungs- und Ausgangsleitungen für verbrauchten Kühldampf geliefert, die mit den Abtrennungen durch das innere Gehäuse verbunden und an ihren äußeren Enden mit dem äußeren Gehäuse lösbar verbunden sind. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf die Dampfkühl-Versorgungsleitungen und die Rückleitungen für verbrauchten Kühldampf in einem geschlossenen Kreislauf und auch auf die Luftkühlleitungen für den Turbinenrotor zur Lieferung des Kühlmediums (Dampf oder Luft) zu den Schaufeln der ersten und zweiten Stufen und auch zu den Rotorradkammern und dem Rotorrand gerichtet.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Gasturbine bereitgestellt, die enthält:
• einen vielstufigen Rotor, der eine Achse hat und mehrere Turbinenräder mit Rändern zum Befestigen von Turbinenschaufeln und Abstandsscheiben mit Rändern aufweist, wobei die Abstandsscheiben abwechselnd zwischen den Rädern angeordnet sind und Radkammern dazwischen bilden, wobei die Räder und Abstandsscheiben aneinander befestigt sind, gekennzeichnet durch
• ein Reservoir zum Zuführen eines Kühlmediums zu dem Rotor;
• mehrere allgemein axial verlaufende Kanäle durch die Rad- und Abstandsscheibenränder und in Verbindung mit dem Kühlmedium-Versorgungsreservoir zum Zuführen des Kühlmediums zu den Turbinenschaufeln von wenigstens einer Stufe des Rotors; und
• wobei der Rotor einen Durchlass in Verbindung mit dem Kühlmedium-Versorgungsreservoir hat zum Zuführen von Kühlmedium von dort in die Turbinenschaufeln der einen Stufe.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Turbine bereitgestellt, die enthält:
• einen vielstufigen Rotor, der eine Achse hat und mehrere Turbinenräder mit Rändern zum Befestigen von Turbinenschaufeln und Abstandsscheiben mit Rändern aufweist, wobei die Abstandsscheiben abwechselnd zwischen den Rädern angeordnet sind und Radkammern dazwischen bilden, wobei die Räder und Abstandsscheiben aneinander befestigt sind;
• ein Reservoir zum Zuführen eines Kühlmediums zu dem Rotor;
• mehrere allgemein axial verlaufende Kanäle, die mit dem Kühlmedium-Versorgungsreservoir in Verbindung sind und axial durch die Rad- und Abstandsscheibenränder hindurchführen zum Zuführen des Kühlmediums zu den Turbinenschaufeln von wenigstens einer Stufe des Rotors und
• mehrere radial nach innen gerichtete Schlitze in Verbindung mit den Turbinenschaufeln der einen Stufe, um verbrauchtes Kühlmedium zu dem axial verlaufenden Rückleitkanal zu leiten.
• Um den Entwicklungsstand dieser neuen Turbine zusammenzufassen, die Verwendung von inneren und äußeren Gehäusen, um stationäre Komponenten der Turbine zu tragen, die zwischen Luft- und Dampfkühlung umgewandelt werden kann, ist in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung EP-A-0 735 243 mit der Bezeichnung "Removable Inner Turbine Shell With Bucket Tip Clearance Control" beschrieben und dargestellt. Für eine vollständige Beschreibung der dampfgekühlten Schaufeln wird Bezug genommen auf die gleichzeitig anhängige Patentanmeldung EP-A-0 735 240 mit der Bezeichnung "Closed Circuit Steam-Cooled Bukket". Für eine vollständige Beschreibung der dampfgekühlten Düsen der ersten und zweiten Stufe, die Statorschaufeln und zugeordnete äußere und innere Wände aufweisen, wird Bezug genommen auf das US-Patent 5,428,950 mit der Bezeichnung "Turbine Stator Vane Segments Having Combined Air and Steam Cooling Circuits". Luftgekühlte Schaufeln sind in der Technik allgemein bekannt, beispielsweise wird Bezug genommen auf die US-Patente 5,340, 274, 5,259,730 und 5,232,343. Infolgedessen wird deutlich, dass, um eine Umwandlung in einer einzelnen Turbine zwischen Luft- und Dampfkühlung herbeizuführen, Kühlkreise für den Turbinenrotor gestaltet werden müssen, um an sowohl Luft- als auch Dampfkühlung für den Rotor und die Turbinenschaufeln angepasst zu sein.
• Um dies gemäß der vorliegenden Erfindung zu erreichen, hat die Turbine ein Gehäuse, das einen Raum um den hinteren Rotor herum bildet, um einer ersten hinteren Radkammer zwischen einem Kühlversorgungs-Scheibenmodul und dem hinteren Turbinenrad, z. B. dem Turbinenrad der vierten Stufe, ein Kühlmedium zuzuführen. (Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "hintere" auf Teile der Turbine in einer Richtung stromabwärts von der heißen Gasströmung durch die Turbine.) Es ist eine Anzahl von auf den Umfang im Abstand angeordneten, axial verlaufenden Öffnungen oder Bohrlöchern in den Rändern der Räder und Abstandsscheiben zwischen den Rädern vorgesehen, um axial verlaufende Kühlmedium-Versorgungskanäle zu bilden. Gewisse dieser axial verlaufenden Kanäle, z. B. 12 von den 24 bevorzugten Durchgangslöchern, sind mit Röhren versehen. Die Röhren sind vorzugsweise geriffelt, um diskrete Kanäle zu bilden. Die Strömung durch diese Kanäle führt den Schaufeln der ersten und zweiten Stufe in einem im allgemeinen serpentinenförmigen Durchlass (einschließlich der Kanäle) und in Reihe mit den Radkammern Kühlmedium zu. Diese Kanäle, die zwischen den Rippen der Röhren und den Wänden der Öffnungen gebildet sind, liefern somit Kühlmedium in die Ringräume auf gegenüberliegenden Seiten der Radscheiben zwischen benachbarten Rädern für eine Strömung zu einer inneren Versorgungskammer, die zwischen den Rädern der ersten und zweiten Stufe angeordnet ist, und weiterhin für eine Strömung in die ersten und zweiten Schaufeln. Die übrigen zwölf Kanäle entlang den Rändern der Räder und Abstandsscheiben bilden axiale Durchgangsbohrungen, die sich im wesentlichen über die volle Länge des Rotors erstrecken, um Kühlmedium direkt entlang axialen Pfaden der inneren Versorgungskammer zuzuführen. Die zwei Versorgungsströmungen des Kühlmediums, d. h. die axialen und serpentinenförmigen Strömungen, vereinigen sich wieder in der inneren Versorgungskammer für eine Strömung radial nach außen durch Schlitze in eine äußere Versorgungskammer. Diese äußere Versorgungskammer liefert Kühlmedium an die Schaufeln der ersten und zweiten Stufen.
• Eine Rückströmung des Kühlmediums wird durch zentrale Kanäle durch die geriffelten Röhren gebildet, wenn das einen geschlossenen Kreis bildende Kühlsystem verwendet wird. In dem geschlossenen Kühlsystem, wo Dampf als das Kühlmedium verwendet wird, strömt also Dampf von dem hinteren Raum in die hintere Radkammer und teilt sich für eine Strömung durch die axialen und serpentinenförmigen Kanäle und Durchlässe, vereinigt sich wieder an der inneren Versorgungskammer und strömt radial nach außen zu der äußeren Versorgungskammer und zu den Schaufeln der ersten und zweiten Stufen. Von den Schaufeln der ersten und zweiten Stufen strömt Dampf zurück in eine Rückleitkammer zwischen den Rädern der ersten und zweiten Stufen und von dieser Kammer radial nach innen entlang Schlitzen in die zentralen Rückleitkanäle der geriffelten Röhren und dann weiter radial nach innen an dem hinteren Ende des Rotors für einen Austritt durch einen koaxialen Kanal.
• Für eine Luftkühlung können die gleichen Komponenten, wie sie in dem dampfgekühlten System verwendet sind, in dem luftgekühlten System verwendet werden. In dem luftgekühlten System wird die Luft den Rad- und Scheibenrändern und auch den Schaufeln der ersten und zweiten Stufe in ähnlicher Weise zugeführt wie in dem Dampfversorgungskreis. Das heißt, die Luft wird zunächst geteilt zwischen axialen Strömungen entlang den Kanälen durch die Rad- und Scheibenränder und entlang eines serpentinenförmigen Strömungskanals durch die Radkammern, und diese Strömungen werden an der inneren Versorgungskammer wiedervereinigt für eine Strömung zu der äußeren Versorgungskammer. Luft wird auch den Schaufeln der ersten und zweiten Stufe in den zuvor beschriebenen Dampfrückleitkanälen zugeführt, d. h. den zentralen Kanälen der Röhren und der Rückleitkammer für das Kühlmedium für eine Strömung zu den Schaufeln der ersten und zweiten Stufe. Somit werden die Rückleitkanäle für den Dampfkühlkreis als Versorgungskanäle für den Luftkühlkreis verwendet.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind Passeinsätze in den Kühlkreisen vorgesehen für einen Übergang von Kühlmedium zwischen benachbarten Teilen der rotierenden Komponenten, die thermisch fehlangepasst sein können. Für Dampfkühlung ist es wichtig, dass Dampf nicht in die heiße Gasströmungsbahn durch Leckbereiche zwischen benachbarten rotierenden Teilen leckt. Eine Leckage tritt üblicherweise dort auf, wo die thermischen Wachstumsraten von benachbarten Teilen unterschiedlich sind. Um die unterschiedlichen thermischen Wachstumsraten anzupassen, sind zwischen diesen Teilen Passeinsätze angeordnet, um eine Strömung des Kühlmediums durch diese Übergangsbereiche hindurch ohne Leckage zu bewirken, die anderenfalls aus der thermischen Fehlanpassung resultieren könnte. Die Passeinsätze sorgen somit effektiv für eine Abdichtung dieser Übergangsbereiche zwischen den zwei rotierenden Teilen.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird eine Turbine bereitgestellt, enthaltend einen vielstufigen Rotor, der einen Achse hat und mehrere Turbinenräder mit Rändern zum Befestigen von Turbinenschaufeln und Abstandsscheiben mit Rändern enthält, wobei die Abstandsscheiben abwechselnd zwischen den Rädern angeordnet sind und Radkammern dazwischen bilden, wobei die Räder und Abstandsscheiben aneinander befestigt sind, ein Reservoir zum Zuführen eines Kühlmediums zu dem Rotor, mehrere allgemein axial verlaufende Kanäle durch die Rad- und Abstandsscheibenränder und in Verbindung mit dem Kühlmedium-Versorgungsreservoir zum Zuführen des Kühlmediums zu den Turbinenschaufeln von wenigstens einer Stufe des Rotors und wobei der Rotor einen Durchlass in Verbindung mit dem Kühlmedium-Versorgungsreservoir hat zum Zuführen von Kühlmedium in die Radkammern und zum Leiten des Kühlmediums von dort in die Turbinenschaufeln der einen Stufe.
• In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird eine Turbine bereitgestellt, enthaltend einen vielstufigen Rotor, der eine Achse hat und mehrere Turbinenräder mit Rändern zum Befestigen von Turbinenschaufeln und Abstandsscheiben mit Rändern enthält, wobei die Abstandsscheiben abwechselnd zwischen den Rädern angeordnet sind und Radkammern dazwischen bilden, wobei die Räder und Abstandsscheiben aneinander befestigt sind, ein Reservoir zum Zuführen eines Kühlmediums zu dem Rotor, mehrere axial verlaufende Kanäle, die mit dem Kühlmedium-Versorgungsreservoir in Verbindung sind und axial durch die Rad- und Abstandsscheibenränder hindurchführen zum Zuführen des Kühlmediums zu den Turbinenschaufeln von wenigstens einer Stufe des Rotors, und mehrere radial nach innen gerichtete Kanäle in Verbindung mit den Turbinenschaufeln der einen Stufe, um verbrauchtes Kühlmedium zu einem axial verlaufenden Rückleitkanal zu leiten.
• In einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird eine Übergangseinrichtung bereitgestellt für eine Abdichtung zwischen übereinstimmenden Öffnungen von benachbarten diskreten ersten und zweiten Teilen, die eine Strömung eines Kühlmediums zwischen den Teilen ermöglicht, wobei diese rohrförmige Hülsen aufweist, die auf entsprechende Weise an dem einen Ende an den Öffnungen dichtend befestigt sind an der Verbindungsstelle der ersten und zweiten Teile und sich auf entsprechende Weise in die Teile hinein erstrecken, wobei die Hülsen an von ihrem einen Ende entfernten Stellen im Abstand von den Innenwänden der Öffnungen auf entsprechende Weise angeordnet sind, und ein koaxiales rohrförmiges Element sich innerhalb und zwischen den Hülsen erstreckt und in Enden endet, die mit den Hülsen in Eingriff sind, wobei eine Dichtung gebildet wird, die eine Strömung des Kühlmediums zwischen den Teilen durch das rohrförmige Element hindurch mit verminderter Beanspruchung durch thermische Fehlanpassung zwischen den ersten und zweiten Teilen ermöglicht.
• Demzufolge ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und verbesserte Kühlanordnung für einen Turbinenrotor zu schaffen, die eine Umwandlung zwischen einer Luftkühlung im offenen Kreislauf und einer Dampfkühlung im geschlossenen Kreislauf ermöglicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von einer die vorliegende Erfindung enthaltenden Gasturbine;
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von einem System mit einem kombinierten Zyklus, das die vorliegende Erfindung enthält und eine Gasturbine und einen Wärmerückgewinnungs- Dampfgenerator für eine größere Effizienz verwendet;
• Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht von einem Teil von einer Gasturbine, die dessen Verbrennungs-, Verdichter- und Turbinenrotorabschnitte darstellt;
• Fig. 4A-4D sind schematische Darstellungen von dem Turbinenrotorabschnitt, der Teile von einer hinteren Rotoranordnung enthält, und stellt die Kühlkreise für den Turbinenrotor dar;
• Fig. 5 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht durch einen Abschnitt von einem Rotorradrand;
• Fig. 6 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht entlang einer axialen Ebene des Rotors und stellt die Kühlmedium-Versorgungs- und Rückleitkanäle zwischen den ersten und zweiten Radscheiben zum Leiten von Kühlmedium zu und von den Schaufeln dar;
• Fig. 6A ist eine Teilquerschnittsansicht entlang der Linie 6A-6A in Fig. 6;
• Fig. 6B ist eine Teilquerschnittsansicht allgemein entlang der Linie 6B-6B in Fig. 6;
• Fig. 7, 7A und 7B sind vergrößerte Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsbeispielen von axialen "Passeinsätzen" für den Übergang von Kühlmedium zwischen benachbarten Teilen der Rotoreinrichtung;
• Fig. 8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von einer weiteren Form eines axialen Passeinsatzes;
• Fig. 9 ist eine vergrößerte schematische Darstellung von einer Schaufel, die an dem Radrand befestigt ist, und stellt eine radiale Passeinsatzanordnung zum Leiten von Kühlmedium dar;
• Fig. 10 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von einem Teil des in Fig. 9 dargestellten Passeinsatzes;
• Fig. 11A ist eine vergrößerte schematische Teildarstellung von einer weiteren Form eines Kühlkreises für einen Turbinenrotor; und
• Fig. 11B ist eine vergrößerte Teilendansicht davon.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung für eine Einwellen-Hochleistungs-Gasturbine 10 mit einfachem Zyklus, die die vorliegende Erfindung enthält. Die Gasturbine kann so betrachtet werden, dass sie einen vielstufigen Axialströmungs- Verdichter 12 mit einer Rotorwelle 14 aufweist. Die Luft tritt in den Einlass von dem Verdichter bei 16 ein, wird durch den Axialströmungs-Verdichter 12 verdichtet und dann an einen Brenner 18 abgegeben, wo Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, verbrannt wird, um hochenergetische Verbrennungsgase zu liefern, die die Turbine 20 antreiben. In der Turbine 20 wird die Energie der heißen Gase in Arbeit umgewandelt, von der ein Teil verwendet wird, um den Verdichter 12 über die Welle 14 anzutreiben, wobei der Rest für nutzbare Arbeit zur Verfügung steht, um eine Last, wie beispielsweise einen Generator 22, durch eine Rotorwelle 24 anzutreiben, um Elektrizität zu erzeugen. Eine typische Gasturbine mit einfachem Zyklus wird 30 bis 35% der Brennstoffzufuhr in Wellenausgangsleistung umwandeln. Der Rest, abgesehen von 1-2%, ist in der Form von Abwärme, die die Turbine 20 bei 26 verlässt. Höhere Wirkungsgrade können erhalten werden, indem die Gasturbine 10 in einer Konfiguration mit kombiniertem Zyklus verwendet wird, bei der die Energie in der Turbinenausgangsströmung in zusätzliche nutzbare Arbeit umgewandelt wird.
• Fig. 2 stellt einen kombinierten Zyklus in seiner einfachsten Form dar, in der die Abgase, die die Turbine 20 bei 26 verlassen, in einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 28 eintreten, in dem Wasser in Dampf nach der Art eines Boilers umgewandelt wird. Somit erzeugter Dampf treibt eine Dampfturbine 30 an, in der zusätzliche Arbeit entzogen wird, um über eine Welle 32 eine zusätzliche Last, wie beispielsweise einen zweiten Generator 34 anzutreiben, der seinerseits zusätzliche elektrische Energie erzeugt. In einigen Konfigurationen treiben die Turbinen 20 und 30 einen gemeinsamen Generator an. Kombinierte Zyklen, die nur elektrische Energie erzeugen, sind in dem Bereich von 50 bis 60% thermischer Wirkungsgrad, wobei die fortgeschritteneren Gasturbinen verwendet werden.
• Fig. 3 stellt in größeren Einzelheiten die Gasturbine dar, die der Fokus der vorliegenden Erfindung ist und die vorzugsweise in der Konfiguration mit kombiniertem Zyklus gemäß Fig. 2 verwendet wird. Luft aus dem Verdichter 12 wird in die den Brenner 18 bildenden Verbrennungsbecher abgegeben, wobei die Verbrennungsbecher in Umfangsrichtung um die Rotorwelle herum in üblicher Weise angeordnet sind. Ein derartiger "Becher" ist bei 36 gezeigt. Nach der Verbrennung werden die entstehenden Verbrennungsgase dazu verwendet, den Turbinenabschnitt 20 anzutreiben, der in dem vorliegenden Beispiel vier aufeinanderfolgende Stufen enthält, die durch vier Räder 38, 40, 42 und 44 dargestellt sind und die den Turbinenrotor bilden und auf der Rotorwelle für eine Rotation damit angebracht sind, und die jeweils eine Reihe von Schaufeln tragen, die auf entsprechende Weise durch Schaufeln 46, 48, 50 und 52 dargestellt sind und abwechselnd zwischen feststehenden Düsen angeordnet sind, die durch Schaufeln 54, 56, 58 bzw. 60 dargestellt sind. Der Rotor enthält auch Abstandsscheiben 39, 41 und 43, die abwechselnd zwischen den Schaufelrädern angeordnet sind. Somit wird deutlich, dass eine vierstufige Turbine dargestellt ist, wobei die erste Stufe Düsen 54 und Schaufeln 46; die zweite Stufe Düsen 56 und Schaufeln 48; die dritte Stufe 58 und Schaufeln 50; und die vierte Stufe Düsen 60 und Schaufeln 52 aufweist. Wie in den oben angegebenen Patentanmeldungen sind die Düsen 54 und 56 der ersten und zweiten Stufen an einem inneren Gehäuse 72 angebracht, das durch Stifte an einem äußeren Gehäuse befestigt ist, das die Düsen der dritten und vierten Stufen befestigt. Das äußere Gehäuse ist an den Bolzenflanschen 74 und 75 lösbar, die das äußere Gehäuse durch Bolzen mit den Turbinengehäuseabschnitten 77 bzw. 79 verbinden, wodurch das obere äußere Gehäuse und die inneren Gehäuse 72 von der Turbine lösbar sind für einen Zugang zu den Komponenten der heißen Gasströmungsbahn.
• Es wird nun auf Fig. 4A Bezug genommen, wonach eine Übergangsscheibe 76 und eine Endscheibe 78 auf entsprechende Weise an gegenüberliegenden Enden von dem Turbinenrotor angeordnet sind. Weiterhin ist ein Kühlversorgungs-Scheibenmodul 80 zwischen der hinteren Endscheibe 78 und dem Rad 44 der vierten Stufe angeordnet. Die Räder und Scheiben sind durch genutete Passungen konzentrisch gehalten, und die gesamte Turbinenrotoreinrichtung wird durch eine Reihe von auf dem Umfang im Abstand angeordneten, axial verlaufenden Bolzen 82 zusammengehalten, die durch die axial angrenzenden Ränder der Räder und Scheiben hindurchführen. Es wird deutlich, dass Dichtungen vorgesehen sind an den Stoßverbindungen zwischen den Rändern der Räder und Abstandsscheiben und dass ringförmige Kammern 84 und 86 auf gegenüberliegenden Seiten von jeder Abstandsscheibe 39, 41 und 43 mit den entsprechenden angrenzenden Rädern gebildet werden.
• An der hinteren Endscheibe 78 ist durch Bolzen eine hintere Rotorwelleneinrichtung 88 befestigt, die eine äußere Welle 90 und eine konzentrisch angeordnete innere Welle 92 aufweist, die dazwischen einen ringförmigen Kanal 94 bilden. Die Wellen 90 und 92 rotieren mit dem Turbinenrotor. Ein Gehäuse 95, das einen stationären Teil der Turbine darstellt, bildet eine ringförmige Kammer 96 um die äußere Welle 90 und hat Lager 97 und 98 um die Wellen 90 bzw. 92 herum. Die Kammer 96 bildet ein Reservoir von Kühlmedium für eine Strömung in den Kanal 94 zwischen den Wellen 90 und 92 und in eine hintere ringförmige Kammer 100 hinter der Endscheibe 78. Es wird deutlich, dass das der Kammer 96 zugeführte Kühlmedium entweder Dampf oder Luft sein kann in Abhängigkeit davon, ob eine Dampf- oder Luftkühlung der Turbine erforderlich ist. Mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Kanäle 102 bilden eine Verbindung zwischen dem hinteren Hohlraum 100 und der hintersten Kammer 86.
• In Fig. 5 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht von einem Teil des Randes 104 von einem Rad 38, 40, 42 oder 44 dargestellt. Die Bolzenkreisöffnungen 81 für die Bolzen 82 sind als ein äußerer Ring von auf dem Umfang im Abstand angeordneten Öffnungen um die Turbinenrad- und Abstandsscheibenränder herum dargestellt. Eine innere Reihe von auf dem Umfang im Abstand angeordneten, axial verlaufenden Bohrlöchern 106 sind ebenfalls durch die Ränder der Räder 40, 42 und 44 und Abstandsscheiben 39, 41 und 43 vorgesehen und enden neben der Rückfläche von dem ersten Rad 38 des Rotors, d. h. die Löcher 106 erstrecken sich durch jeden der Radränder und die Ränder der Abstandsscheiben, außer dem Rad 38 der ersten Stufe. Es kann zwar irgendeine Anzahl von Bohrlöchern verwendet werden, aber vierundzwanzig Bohrlöcher sind bevorzugt. Eine gewisse Anzahl der Bohrlöcher 106a, beispielsweise zwölf der vierundzwanzig Bohrlöcher, sind frei und bilden Durchgangskanäle zum Leiten von Kühlmedium in axialer Richtung entlang den Rändern der Räder und Scheiben direkt zu einer inneren Kühlmedium-Versorgungskammer, die nachfolgend beschrieben wird. Die abwechselnden Bohrlöcher 106b haben jeweils ein langgestrecktes Rohr 112 mit Speichen oder Rippen 114, die an auf dem Umfang im Abstand angeordneten Stellen um das Rohr 112 herum radial nach außen und in einen Festsitzkontakt mit den Wänden der Bohrlöcher 106b vorstehen. Es wird deutlich, dass die Rippen 114 diskrete Kanäle 118 um die äußere Oberfläche von jeder Röhre 112 herum bilden. Es wird jedoch aus der folgenden Beschreibung deutlich, dass Röhren mit zylindrischen oder anderen Querschnittsformen verwendet werden können. Ferner stehen die hinteren Enden der Bohrlöcher 106a und 106b mit der hinteren Kammer 86 durch radiale Schlitze in Verbindung, die in der Vorderfläche des Versorgungsscheibenmoduls 80 ausgebildet sind.
• Die Räder 40, 42 und 44 haben jeweils im allgemeinen radiale Einlässe und Auslässe auf gegenüberliegenden Seiten des Rades in Verbindung mit den Bohrlöchern 106b und den angrenzenden ringförmigen Kammern 84 und 86, wobei ein Auslass 110 in Fig. 5 dargestellt ist. Somit liegen die Bohrlöcher 106b des Rades 44 in Verbindung mit den Schlitzen des Moduls 80, die Kühlmedium von der hinteren Radkammer 86 axial entlang dem Rand des Rades 44 zuführen. Das Rad 44 hat auch Auslässe 110 in Verbindung mit Bohrlöchern 106b und der Radkammer 84 zwischen der Abstandsscheibe 43 und dem Rad 44. In ähnlicher Weise hat das Rad 42 Einlässe 108 in Verbindung mit Bohrlöchern 106b und der Kammer 86 zwischen der Scheibe 43 und dem Rad 42 und Auslässe 110 in Verbindung mit Bohrlöchern 106b und der Kammer 84 zwischen dem Rad 42 und der Scheibe 41. In ähnlicher Weise hat das Rad 40 Einlässe in Verbindung zwischen Bohrlöchern 106b und der Kammer 86 zwischen der Scheibe 41 und dem Rad 40 und Auslässe in Verbindung mit den Bohrlöchern 106b und der Kammer 84 zwischen dem Rad 40 und der Scheibe 39. Das Rad 38 der ersten Stufe hat eine innere, ringförmige Kühlmedium-Versorgungskammer 109 (Fig. 6), die mit der Kammer 86 zwischen der Scheibe 39 und dem Rad 38 in Verbindung steht. Wie aus der folgenden Beschreibung deutlich wird, bilden die Rippen diskrete Durchlässe 118 um die äußere Oberfläche von jedem Rohr 112. Genauer gesagt, bilden Durchlässe 118 zwischen den Rippen 114 von jedem Rohr 112 und der Innenwand des Bohrloches 106b axial verlaufende Kanäle, die mit den Einlässen und Auslässen 108 bzw. 110 in Verbindung sind und versorgen Modulschlitze, die dafür vorgesehen sind, den Turbinenrad-Scheibenkammern 84, 86 der Reihe nach Kühlmedium zuzuführen. Wie nachfolgend erläutert wird, dient der zentrale Kanal 120 durch jedes Rohr 112 in dem Bohrloch 106b als ein Rückleitkanal in einem geschlossenen Kreis für die Rückleitung von verbrauchtem Kühlmedium, wenn die Turbine dampfgekühlt ist, und zur Zufuhr von Kühlluft, wenn die Turbine luftgekühlt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass für eine Dampfkühlung im geschlossenen Kreislauf die Dampfzufuhrkanäle 118 die Rotorrad- und Abstandsscheiben-Randstruktur von dem heißen verbrauchten Rückleitdampf isolieren, der durch den zentralen Kanal 120 strömt.
• Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Kanäle 118 an den axialen Stellen der Abstandsscheiben blockiert oder verschlossen sein können, so dass eine Reihenströmung von der ersten hinteren Kammer 86 in die Kanäle 118 und in die Kammern zwischen den Scheiben und Rädern gebildet ist, wie es durch die serpentinenförmigen Pfeile in Fig. 4B darstellt ist. Infolgedessen wird eine serpentinenförmige, seriell gerichtete Strömung von Kühlmedium zu den Radkammern 84 und 86 von dem Hohlraum 96 über den Kanal 94, den hinteren Hohlraum 100 und die Kanäle 102 zugeführt, wobei das Kühlmedium schließlich in die Kammer 86 zwischen dem Rotorrad 38 und der Scheibe 39 eintritt für eine Strömung in die Versorgungskammer 109, vorzugsweise zwischen dem Rad 38 der ersten Stufe und der Abstandsscheibe 39. Diese Serpentinenströmung des Kühlmediums in den Radkammern minimiert irgendeinen thermischen Gradienten über den Scheiben und verhindert dadurch eine Verformung des Rotors. Die Röhren 112 enden neben einer Abstandsplatte 124 (Fig. 6) zwischen der Abstandsscheibe 39 und dem Rad 40 der zweiten Stufe, und die Kanäle 118 leiten die Strömung durch den letzten Auslass 108 des Rades 40 der zweiten Stufe. Somit strömt Kühlmedium (gestrichelte Pfeile) durch die Kanäle oder Bohrlöcher 106a axial entlang den Rändern der Räder und Abstandsscheiben in die innere Kühlmedium-Versorgungskammer 109, während das Kühlmedium (ausgezogene Pfeile), das durch die Kanäle 118, die durch die geriffelten Röhren 112 und die Bohrlöcher 106b gebildet sind, zugeführt wird, der Reihe nach in und aus den Radkammern strömt, wobei ein im allgemeinen serpentinenförmiger Strömungskanal gebildet wird, der schließlich in die vorderste Radkammer 86 eintritt für eine Strömung in die innere Kühlmedium- Versorgungskammer 109. Somit vereinigen sich die axialen (gestrichelte Pfeile) und serpentinenförmigen (ausgezogene Pfeile) Strömungen wieder in der inneren Kühlmedium-Versorgungskammer 109.
• Bezug nehmend auf die Fig. 6, 6A und 6B wird nun der Übergang der Strömung von der inneren Kühlmedium-Versorgungskammer 109 zu den Schaufeln der ersten und zweiten Stufe und der Strömungen von den Schaufeln zur Rückleitung in die einen geschlossenen Kreis bildenden Kühlkonfiguration beschrieben. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, ist eine Abstandsplatte 122 zwischen dem Rad 38 der ersten Stufe und der Vorderfläche der Abstandsscheibe 39 angeordnet. Wie vorher bereits beschrieben wurde, ist eine Abstandsplatte 124 zwischen der Vorderfläche des Rades 40 der zweiten Stufe und der Rückfläche der Abstandsscheibe 39 angeordnet. Diese Abstandsplatten 122 und 124 haben vordere und hintere Kühlmedium-Einlasskanäle 111f und 111a zum Leiten von Kühlmedium von dem Hohlraum 109 in die Schwalbenschwänze der Schaufeln der ersten und zweiten Stufen. Zusätzlich haben die Abstandsplatten 122 und 124 vordere und hintere Auslässe 113f bzw. 113a zum Rückleiten von verbrauchtem Kühlmedium von den Schaufeln in einem geschlossenen Kreislauf. Wie nachfolgend beschrieben wird, sind "Passeinsätze" vorgesehen, um Übergänge der Strömung zwischen den Schwalbenschwänzen der Schaufeln und den Einlässen und Auslässen 111 bzw. 113 der Abstandsplatten zu bilden. Für Einzelheiten der Kühlmediumkanäle in den Turbinenschaufeln wird Bezug genommen auf die gleichzeitig anhängige Patentanmeldung EP-A-0 735 240 mit der Bezeichnung "Closed Circuit Steam-Cooled Bucket".
• Es wird nun auf die Fig. 6 und 6A Bezug genommen, wonach die Vorderfläche der Abstandsscheibe 39 mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete, radial nach außen gerichtete Schlitze 115 aufweist, die an ihren radial innersten Enden mit der inneren Kammer 109 in Verbindung sind und an ihren äußeren Enden mit einer, ringförmigen Kühlmedium-Versorgungskammer 117 in Verbindung sind. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, liegt die äußere Kammer 117 in Verbindung mit den Einlässen 111a durch die Abstandsplatte 122, um den Schaufel-Schwalbenschwänzen Kühlmedium zuzuführen. Es wird deutlich, dass die Abstandsplatte 122 über der Vorderfläche der Abstandsscheibe 39 liegt, um die radialen Schlitze 115 zu schließen, wodurch eine Verbindung zwischen den inneren und äußeren Kammern 109 bzw. 117 ermöglicht wird.
• Die hintere oder rückwärtige Fläche der Abstandsscheibe 39 ist in Fig. 6B dargestellt. In Fig. 6B bilden mehrere auf den Umfang im Abstand angeordnete Öffnungen 119 eine Verbindung zwischen der äußeren Versorgungskammer 117 und einer zusätzlichen äußeren, ringförmigen Versorgungskammer 121, die in der Rückfläche der Scheibe 39 ausgebildet ist. Die äußere Kammer 121 liegt in Verbindung mit Einlässen zum Zuführen von Kühlmedium zu den Schaufel-Schwalbenschwänzen der zweiten Stufe.
• Um einen Rückleitkreis für das verbrauchte Kühlmedium von den Schaufeln zu bilden, ist die Vorderfläche der Abstandsscheibe 39 an Stellen radial innen von der äußeren Versorgungskammer 117 mit mehreren auf dem Umfang im Abstand angeordneten, bogenförmig verlaufenden Rückleitsegmenten 123 der Kammer versehen. Die Auslässe 113f in der Abstandsplatte 122 liegen in Verbindung mit den Rückleitsegmenten 123. Die Rückfläche der Abstandsscheibe 39 enthält einen ringförmigen Hohlraum 125 radial innen von der Versorgungskammer 121 und liegt in Verbindung mit den Rückleitkammersegmenten 123 durch mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Löcher 127 durch den Rand der Abstandsscheibe 39 hindurch. Zusätzlich liegt der Rückleithohlraum 125 in Verbindung mit den Auslässen 113a von der Schaufel der zweiten Stufe. Mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete, nach innen verlaufende Schlitze 129 liegen in Verbindung mit dem Rückleithohlraum 125 und den zentralen Kanälen 120 der Rippen 112, wodurch verbrauchtes Kühlmedium für eine Rückleitung axial entlang dem Rotorrand geleitet werden kann. Die Verbindungen zwischen den zentralen Kanälen 120 der geriffelten Röhren 112 und den axialen Öffnungen der Schlitze 129 in der Abstandsplatte 124 sind mit Passeinsätzen versehen, wie es nachfolgend beschrieben wird, um einen Übergang zwischen den rotierenden Teilen zu bewirken.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel und Bezug nehmend auf die Fig. 6, 6A und 6B, sind acht radial nach außen gerichtete Schlitze 115 vorgesehen, um Kühlmedium von der Kammer 109 zur Kammer 117 zu leiten. Wenn das Turbinenrad vierundsechzig Schaufeln befestigt, sind vierundsechzig Einlassöffnungen 111f in Verbindung mit der ringförmigen äußeren Versorgungskammer 117 vorgesehen. Acht auf dem Umfang im Abstand angeordnete Öffnungen 119 sorgen für eine Verbindung zwischen den Kammern 117 und 121. Da das Turbinenrad der zweiten Stufe vierundsechzig Schaufeln befestigt, sind vierundsechzig Einlasskanäle 111a in Verbindung zwischen der Ringkammer 121 und diesen Schaufeln. Auf der Rückleitseite sind vierundsechzig Auslässe 113f in Verbindung mit acht Rückleitkammersegmenten 123, wobei acht Auslässe 113f mit jedem Segment 123 in Verbindung stehen. Sechzehn auf dem Umfang im Abstand angeordnete Löcher 127 sind in Verbindung zwischen den Rückleitkammersegmenten 123 und der ringförmigen Rückleitkammer 125, wobei es zwei Löcher 127 für jedes Rückleitkammersegment 125 gibt. Zwölf radial nach innen gerichtete Schlitze 129 stehen zwischen der ringförmigen Rückleitkammer 125 und den zwölf zentralen Kanälen 120 der geriffelten Röhren 112 in Verbindung.
• Wo also eine Dampfkühlung erforderlich ist, wird Dampf von der Kammer 96 über den Ringkanal 94, den hinteren Hohlraum 100, Kanäle 102, die hintere Kammer 86 und die Kanäle durch die Bohrlöcher 106 zugeführt. Eine Anzahl der Bohrlöcher 106, nämlich die Bohrlöcher 106a, liefern Dampf direkt entlang den Rändern der Räder und Abstandsscheiben zur Kammer 109. Die geriffelten Durchlässe 118 der Bohrlöcher 106b liefern Dampf seriell durch die Kammern 84 und 86 in einer serpentinenförmigen Bahn, wobei sich der Dampf schließlich wieder mit der Dampfströmung durch die Kanäle 106a in der Kammer 109 vereinigt. Von der Kammer 109 strömt Kühldampf entlang den radial nach außen gerichteten Schlitzen 115 in die Kammer 117 für eine Strömung in entgegengesetzten Richtungen. Die Strömung in einer Vorwärtsrichtung tritt durch die vierundsechzig Einlässe 111f ein zur Lieferung von Kühldampf zu jeder Schaufel der ersten Stufe. Die Strömung in der Rückwärtsrichtung gelangt durch die acht Öffnungen 119 in die Ringkammer 121, um durch die vierundsechzig Einlässe 111a hindurch den Schaufeln der zweiten Stufe Dampf zuzuführen. Auf der Rückleitseite strömt verbrauchter Dampf von den Schaufeln der ersten Stufe durch Auslässe 113f in Rückleitkammersegmente 123 hinein für einen Durchtritt durch sechzehn Löcher 127 in die radial innere ringförmige Rückleitkammer 125 hinein. Verbrauchter Dampf von den Schaufeln der zweiten Stufe strömt durch die vierundsechzig Auslässe 113a in die Rückleitkammer 125. Der verbrauchte Dampf strömt dann radial nach innen entlang den zwölf Schlitzen 129 für eine Rückleitung durch die zwölf zentralen Kanäle 120 der geriffelten Röhren 112. Es wird deutlich, dass die Zufuhr von Dampf die Radränder, die Radhohlräume und die Schaufeln der ersten und zweiten Stufen kühlt und in einem geschlossenen Kreislauf zurückkehrt.
• Signifikanterweise bewirkt, wenn der Rotor dampfgekühlt ist, die Dampfströmung radial innen in den Hohlräumen 84 für einen Durchtritt zwischen gegenüberliegenden Seiten der Abstandsscheiben eine Reinigung des Dampfes aufgrund von Zentrifugalkräften, wodurch Verunreinigungen des Dampfes aus dem kühlenden Dampf entfernt und radial außen in den Hohlräumen abgeschieden werden. Das heißt, wenn der Rotor umläuft, werden Feststoff-Verunreinigungen in dem Dampf durch Zentrifugalkraft radial nach außen geschleudert, wogegen der Dampfdruck die Strömung zwingt, radial nach innen und außen zu strömen, da der Dampf durch die Hohlräume in einer im allgemeinen serpentinenförmigen Bahn strömt, wodurch den Schaufeln der ersten und zweiten Stufe Dampf zugeführt wird, der von diesen Verunreinigungen im wesentlichen frei ist. Dieser Prozess wird in jeder der drei Kammern 84 wiederholt, wodurch der Dampf innerhalb des Rotors gereinigt wird. Da zusätzlich ein Teil der Dampfströmung durch die Kanäle 118 wandert, isolieren diese kälteren Kanäle die Rad- und Scheibenrandstrukturen von dem heißen Rückleitdampf.
• Wo eine luftgekühlte Turbine erforderlich ist, kann die identische Struktur, die für die Dampfkühlung vorgesehen ist, auch für eine Luftkühlung der rotierenden Teile der Turbine verwendet werden. Sowohl die Versorgungs- als auch Rückleitkreise für die Dampfkühlung werden verwendet, um den Schaufeln der ersten und zweiten Stufe Kühlluft zuzuführen. Somit kann Luft durch die innere Kammer 109 zugeführt werden für eine Strömung zu den Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe, wie es oben in Verbindung mit Dampf beschrieben ist, der zu diesen Schaufeln strömt. Luft wird ebenfalls der Kammer 109 durch die zuvor beschriebenen serpentinenförmigen Versorgungskanäle zugeführt. Luft wird ferner zugeführt über den Kanal 120 innerhalb der geriffelten Röhren 112 und durch die Schlitze 129, die Kammer 125 und die Auslässe 113 und 113a der Schaufeln der ersten und zweiten Stufe. Da der Luftkühlkreis offen ist und die Luft durch die Turbinenschaufeln strömt und für eine Filmkühlung der Schaufel in die heiße Gasbahn austritt, ist keine Rückleitbahn für die Luft erforderlich.
• Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, aus der deutlich wird, dass es einen axialen Übergang zwischen den Abstandsplatten 122 und 124 und den Schaufeln der ersten bzw. zweiten Stufe gibt, der aufgrund unterschiedlicher Raten des thermischen Wachstums oder der Expansion eine Relativbewegung haben kann. Da die Leistungsfähigkeit durch Dampfleckage in die heiße Gasströmungsbahn verschlechtert werden kann, ist es wichtig, das relative thermische Wachstum an diesen Übergangsbereichen aufzunehmen und für eine effektive Dichtung zu sorgen. In Fig. 7 ist eine "Passeinsatz"-Einrichtung offenbart für einen Übergang der Strömung des Kühlmediums zu und von den Abstandsplatten 122 und 124 und den entsprechenden Schaufeln. So ist eine Turbinenschaufel in Fig. 7 bei 140 und die Abstandsplatte 122 dargestellt. Der Kühlversorgungskanal ist in der Abstandsplatte 122 durch den Pfeil angegeben. Der axiale Passeinsatz weist zwei Hülsen 144 und 146 auf, die in übereinstimmenden Vertiefungen in der Abstandsplatte 122 und der Schaufel 140 aufgenommen sind, wobei darauf hingewiesen sei, dass eine Passeinsatzanordnung an jeder Verbindungsstelle von dem Abstandsplattendurchlass und der zugeordneten Schaufel verwendet wird. Die Hülsen 144 und 146 sind rohrförmig, und ihre benachbarten Enden sind mit Flanschen 145 bzw. 147 versehen, die einen Festsitz mit entsprechenden Vertiefungen bilden. Die Hülsen verjüngen sich von ihren mit einem Flansch versehenen Enden radial nach innen, um die Hülsen im Abstand von den Wänden der Aussparungen zu halten, wobei die Hülsen ansonsten nicht an der Abstandsplatte 122 und der Schaufel 140 befestigt sind. Ein Passeinsatz 148 weist ein axial verlaufendes Rohr auf, das kolbenförmige Enden 150 und 152 hat. Die kolbenförmigen Enden 150 und 152 bilden benachbarte Festsitze und dichten somit mit den entsprechenden freien Enden der Hülsen 144 und 146. Der Zweck der Hülsen besteht darin, die thermische Fehlanpassung zwischen dem Passeinsatz und seiner Halterungsstruktur zu minimieren und somit das Ausmaß an Abnutzung aus der relativen Gleitbewegung zu verringern. Lagerbeanspruchung an dem Passeinsatz 148 und Berührungsflächen der Hülse werden auch dadurch verringert, dass die Stützlänge der Hülse an der Grenzfläche des Festpasseinsatzes so bemessen wird, dass sie eine nahezu gleiche oder kleinere Steifigkeit hat. Die Passeinsatzeinrichtung wird auch so flexibel wie möglich konstruiert, um Passeinsatz/Hülsen-Lagerbeanspruchung aufgrund von Zentrifugallasten zu verringern und Verschleiß an den Passeinsatz/Hülsen-Berührungsflächen aufgrund Passeinsatz/strukturellen thermischen Ausgleiches zu verringern. Der Passeinsatz und die Hülse sind vorzugsweise aus einer Nickelbasis-Legierung geformt.
• In Fig. 7A ist eine weitere Form der Passeinsatzeinrichtung für den Übergang der Strömung des Kühlmediums zwischen den Abstandsplatten und Schaufeln dargestellt, die irgendeine thermische Fehlanpassung dazwischen kompensiert. In Fig. 7A wird eine zylindrische Schneide 148 mit einer Schneidenkante 150 von einem Verschlussring 152 getragen, der in einer Aussparung in dem Abstandshalter 122 angeordnet ist. Die Schneidenkante 150 ist in einen Ring 154 aus einer temperaturbeständigen, weichen Metalllegierung eingebettet, der eine Dichtung damit bildet.
• In der Passeinsatzeinrichtung gemäß Fig. 7B drückt eine Druckfeder 160 gegen die Unterseite von einer Aussparung in der Schaufel 140 und an ihrem gegenüberliegenden Ende gegen einen Expansionsring 162. Der Ring 162 hat eine ebene konische Oberfläche für einen dichtenden Eingriff mit einer kugelförmigen Oberfläche auf einem ringförmigen Dichtungsstopfen 164. Der Dichtungsstopfen 164 hat seinerseits eine kugelförmige Dichtfläche 166 auf seinem gegenüberliegenden Ende für einen dichtenden Eingriff gegen einen konvexen kugelförmigen Verschlussring 168, der in einer Aussparung der Abstandsplatte 122 angeordnet ist.
• Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, wo eine weitere Form von einer Passeinsatzeinrichtung für einen Übergang zwischen dem Abstandshalter 122 und einer Turbinenschaufel 144 dargestellt ist. In dieser Form ist eine thermisch ausgeglichene Passeinsatz- und Hülseneinrichtung vorgesehen. So ist eine rohrförmige Buchse 170 mit einem Flansch 172 mit der Abstandsplatte 122 neben dem äußeren Ende von dem Kühlkanal verbunden, und eine ähnliche Buchse 174 ist durch einen Flansch 176 mit dem Einlassende von der Schaufel 140 verbunden. Die Flansche 172 und 176 tragen die ansonsten ungehalterte Passeinsatzeinrichtung an der Verbindungsstelle von der Schaufel und der Abstandsplatte. Eine Hülse 178 geht von dem Flansch 172 aus und ist im Abstand zwischen den Wänden von dem Kanal und der Buchse 170 angeordnet und endet an seinem Einlassende in einer radial nach innen gerichteten kolbenförmigen Konfiguration 180 mit einer Reihe von Öffnungen 182. Eine Anzahl von Öffnungen 184 ist an dem Ende der Hülse 178 neben dem Flansch 172 angeordnet. Eine ähnlich aufgebaute Hülse 185 ist an dem Einlassende von der Schaufel angeordnet, ordnet die Buchse 174 im Abstand von den Wänden des Schaufeleinlasses an und endet in einem radial nach innen gerichteten kolbenförmigen Ende 186 mit Öffnungen 188. Eine Anzahl von Öffnungen 189 ist an dem Ende der Hülse 184 neben dem Flansch 176 angeordnet. Ein rohrförmiger Passeinsatz 190 mit radial nach außen gerichteten kolbenförmigen Enden 192 und 194 ist in den Buchsen 170 und 174 angeordnet und bildet einen Festsitz damit. Infolgedessen strömt, wie durch die Pfeile angegeben ist, das Kühlmedium auf gegenüberliegenden Seiten der Hülse 178 und tritt durch die Öffnungen 182 wieder in die Hauptströmung ein, wodurch ein thermisches Gleichgewicht über der Hülse 178, der Buchse 170 und dem Passeinsatz 190 erreicht wird. Am Auslassende der Passeinsatzeinrichtung strömt das Kühlmedium zwischen der Buchse 174 und der Hülse 185 durch die Öffnungen 189 in den Raum zwischen der Hülse 185 und der Wand der Einlassöffnung und radial nach innen durch die Öffnungen 188 in den Haupteinlasskanal. Infolgedessen wird eine relative Bewegung zwischen der Abstandsplatte und der Turbinenschaufel aufgrund thermischer Fehlanpassung durch die Passeinsatzeinrichtung aufgenommen.
• Es wird nun auf Fig. 9 Bezug genommen, wo eine radiale Passeinsatzanordnung für ein Leiten von Kühlmedium radial nach außen von dem Radrand in eine Turbinenschaufel dargestellt ist, und die eine Rückleitbahn für das Medium bildet, wo Dampfkühlung verwendet wird. Auf den Turbinenschaufeln sind axiale Verlängerungen 198 vorgesehen, um radial innen gerichtete Öffnungen 200 zum Empfangen des Kühlmediums zu bilden. Eine ähnliche Öffnung 202 ist an der axial gegenüberliegenden Seite der Turbinenschaufel vorgesehen, um Dampf aus der Schaufel austreten zu lassen oder der Schaufel Luft zuzuführen. Wo ein radialer Passeinsatz verwendet wird, ist verständlich, dass ein derartiger Passeinsatz die Schiebebewegung der Turbinenschaufel relativ zum Schaufelrad beim Ein- und Ausbau der Schaufel aufnehmen muss, während gleichzeitig nach der Installation eine geeignete Dichtung zwischen den zwei Teilen gebildet wird, so dass irgendein thermisches Wachstum die Dichtung nicht beeinträchtigt.
• Für diese Zwecke, und unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10, endet der Schaufeleinlass 200 in einer konisch nach außen verlaufenden ebenen Dichtfläche 204. Der Passeinsatz 206 weist ein im allgemeinen rohrförmiges Element auf, das an seinem radial äußeren Ende in einer konvexen kugelförmigen Oberfläche 208 endet für einen Eingriff mit der ebenen konischen Oberfläche 204 in einer dichtenden Relation damit. Der rohrförmige Passeinsatz 206 erstreckt sich in eine Öffnung 210 des Radrandes und ist durch eine Feder 212 für eine Bewegung radial nach außen vorgespannt. Die Feder drückt gegen einen Dichtungsring 214 mit einer Dichtungsfläche 216 für einen Eingriff mit einer komplementären Oberfläche, die entlang dem äußeren Rand des rohrförmigen Passeinsatzes 206 gebildet ist. Diese Teile arbeiten zusammen, um eine Dichtung zwischen dem rohrförmigen Passeinsatz 206 und den inneren Wänden zu formen, die die Öffnung 210 bilden. Ein Anschlagring 220 ist um den radial äußeren, oberen Abschnitt von dem Passeinsatz 206 angeordnet für einen Eingriff mit einer Schulter 222 bei einer Verschiebung des rohrförmigen Passeinsatzes 206 radial nach innen, um das radial äußere Ende des Passeinsatzes unter der Grenzfläche der Schaufel anzuordnen. Ein gegabeltes Element 224 mit Gabeln 226 ist über dem Ring 220 angeordnet und dient als ein Werkzeug zum Verschieben des rohrförmigen Passeinsatzes 206 radial nach innen entgegen der Vorspannung der Feder 212, wodurch der Schaufel ermöglicht wird, sich entlang der typischen Nut- und Federverbindung zwischen der Schaufel und dem Rad und über den Passeinsatz zu verschieben. Das Werkzeug kann dann freigegeben werden, damit sich der Passeinsatz radial nach außen verschieben kann, um an der kugelförmigen Oberfläche 208 gegen die abgeschrägte Dichtfläche 204 in der Schaufel anzugreifen. Somit ist eine Dichtung zwischen dem Schaufelrad und Schaufeln gebildet unter Verwendung eines radialen Passeinsatzes, der auf wirksame Weise jeden Effekt einer Bewegung zwischen den Teilen aufgrund einer thermischen Fehlanpassung aufhebt.
• Es wird nun auf die Fig. 11A und 11B Bezug genommen, wo eine weitere Form von einem Dampfkühlkreis für einen Turbinenrotor dargestellt ist, der eine getrennte Rohrleitung und eine Rückleitbahn verwendet, wo Dampfkühlung durch die Mitte des Rotors hindurch verwendet wird. Zusätzlich sind die Radhohlräume nicht mit Druck beaufschlagt und das Kühlmedium ist nicht in Kontakt mit den Radscheiben. In dieser Form ist die hintere Kammer 100 mit einer Anzahl von auf den Umfang im Abstand angeordneten Leitungsverbindungen 240 versehen, die zwischen dem hinteren Abstandshalter 242 und der Endscheibe 78 radial nach außen verlaufen. Die Leitungen 240 verlaufen axial durch die Abstandsscheiben und Räder bis zu einem Ort innerhalb der vorderen Abstandsscheibe 250. Die Leitungen teilen sich im wesentlichen in einer "Y" Verbindung für eine axiale Zufuhr von Kühlmedium in die Schaufeln der ersten und zweiten Stufen. Die Strömung kehrt dann innerhalb der Schaufeln der ersten und zweiten Stufen in radialen Richtungen um für eine Kühlströmung entlang den Schaufeln. Es wird deutlich, dass axiale Passeinsätze verwendet werden, um den Übergang zwischen den Kühlleitungen und den Schaufeln herzustellen. Ähnliche axiale Rückleit-Passeinsätze werden auch dazu verwendet, den Übergang von den Schaufeln zu den Rückleitungen 252 auszubilden. Die Rückleitungen 252 stehen direkt mit den Rückleit-Passeinsätzen in Verbindung und richten die verbrauchte Kühlströmung radial nach innen zur Mitte des Rotors. Der mittlere Abschnitt von dem Rotor wird durch ein axiales Rohr 256 koaxial mit der Maschine gebildet. Luftkühlung kann auch in dieser Rotorkonfiguration verwendet werden, indem Luft durch sowohl die Leitungen 240 als auch 252 zugeführt wird.
• Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit dem beschrieben worden, was gegenwärtig als das praktischste und bevorzugte Ausführungsbeispiel betrachtet wird, es ist aber verständlich, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein soll, sondern es ist im Gegenteil beabsichtigt, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen einzuschließen, die im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims (9)

1. Turbine (20) enthaltend:

einen vielstufigen Rotor (24), der eine Achse hat und mehrere Turbinenräder (38, 40, 42, 44) mit Rändern zum Befestigen von Turbinenschaufeln (46, 48, 50, 52) und Abstandsscheiben (39, 41, 43) mit Rändern (104) enthält, wobei die Abstandsscheiben abwechselnd zwischen den Rädern angeordnet sind und Radkammern (84, 86) dazwischen bilden, wobei die Räder und Abstandsscheiben aneinander befestigt sind,

gekennzeichnet durch:

ein Reservoir (96) zum Zuführen eines Kühlmediums zu dem Rotor,

mehrere allgemein axial verlaufende Kanäle (106) durch die Rad- und Abstandsscheibenränder (104) und in Verbindung mit dem Kühlmedium-Versorgungsreservoir zum Zuführen des Kühlmediums zu den Turbinenschaufeln von wenigstens einer Stufe des Rotors und

wobei der Rotor einen Durchlass (106a) in Verbindung mit dem Kühlmedium-Versorgungsreservoir hat zum Zuführen von Kühlmedium in die Radkammern und zum Leiten des Kühlmediums von dort in die Turbinenschaufeln der einen Stufe.

2. Turbine nach Anspruch 1, wobei der Durchlass einen Einlass (108) und einen Auslass (110) in benachbarten Radrändern auf gegenüberliegenden Seiten von wenigstens einer Abstandsscheibe aufweist, wobei der Einlass und der Auslass so angeordnet sind, daß das Kühlmedium von dem Einlass radial nach innen entlang der einen Seite von der einen Abstandsscheibe und radial nach aussen entlang der gegenüberliegenden Seite der Abstandsscheibe strömt für eine Strömung durch den Auslass.

3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend erste und zweite Rotorstufen (38, 40), allgemein radial verlaufende Schlitze (115, 129) zwischen den Radrändern der ersten und zweiten Stufen in Verbindung mit dem Durchlass durch die Kammern und mit den axialen Kanälen zum Leiten des Kühlmediums von den Kammern und Kanälen in die Schaufeln der ersten und zweiten Stufen.

4. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend erste und zweite Rotorstufen (38, 40), wenigstens eine ringförmige Versorgungskammer (117) zwischen den Radrändern der ersten und zweiten Stufe, allgemein radial verlaufende Schlitze (115, 129) zwischen den Radrändern der ersten und zweiten Stufen in Verbindung mit dem Durchlass durch die Kammern (84) und mit den axialen Kanälen (106) zum Leiten des Kühlmediums von den Kammern und Kanälen in die Versorgungskammer (117) für eine Strömung zu den Schaufeln der ersten und zweiten Stufen.

5. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend erste und zweite Rotorstufen (38, 40), wenigstens eine Versorgungskammer (117) zwischen den Radrändern der ersten und zweiten Stufe, allgemein radial nach aussen verlaufende Schlitze (115) zwischen den Radrändern der ersten und zweiten Stufen in Verbindung mit dem Durchlass durch die Kammern (84, 86) und mit den axialen Kanälen (106) zum Leiten des Kühlmediums von den Kammern und Kanälen in die Versorgungskammer (117) für eine Strömung zu den Schaufeln der ersten und zweiten Stufen, eine Rückleitkammer (121) zwischen den Radrändern der ersten und zweiten Stufen in Verbindung mit den Schaufeln der ersten und zweiten Stufen zum Empfangen von verbrauchtem Kühlmedium, wenigstens einen Rückleitkanal (120), der von dem Rotor getragen ist, allgemein radial nach innen verlaufende Schlitze (129) zwischen den Radrändern der ersten und zweiten Stufen in Verbindung mit der Rückleitkammer (121) zum Leiten von verbrauchtem Kühlmedium von der Kammer zu dem Rückleitkanal (120), wobei die Versorgungs- und Rückleitkammern auf gegenüberliegenden Stirnflächen der Abstandsscheibe (39) zwischen den Radrändern (38, 40) der ersten und zweiten Stufen gebildet sind, wobei eine der Kammern in Verbindung mit mehreren Kammersegmenten liegt, die sich allgemein in Umfangsrichtung um die Ränder herum erstrecken und die in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnet sind, wobei jedes der Kammersegmente in Verbindung mit einer vorbestimmten Anzahl von Strömungsöffnungen (127) für die Schaufeln liegt für eine Strömung von Kühlmedium zwischen den Schaufeln und den Kammersegmenten.

6. Turbine nach Anspruch 1 in Kombination mit den Turbinenschaufeln (140), eine Abstandsplatte (122) zwischen einer der Abstandsscheiben und dem Rad, die die eine Stufe bilden und mehrere Kühlmedium-Strömungsöffnungen in Verbindung mit den Kanälen und dem Durchlass aufweisen, wobei die Schaufeln (140) mehrere Kühlmediumöffnungen in Übereinstimmung mit den Abstandsplattenöffnungen haben für eine Strömung von Kühlmedium durch sie hindurch, Übergangseinrichtungen zum Abdichten zwischen den Öffnungen der Abstandsplatten und den Schaufeln und zum Ermöglichen von Strömung von Kühlmedium durch sie hindurch, wobei jede Übergangseinrichtung ein Paar rohrförmige Hülsen (144, 146) aufweist, die an dem einen Ende an den übereinstimmenden Öffnungen dichtend befestigt sind, auf entsprechende Weise an der Verbindungsstelle der Schaufeln und der Abstandsplatte, wobei die Hülsen an von ihrem einen Ende entfernten Stellen im Abstand von Innenwänden der Öffnungen angeordnet sind, und ein koaxiales rohrförmiges Element (148), das sich innerhalb und zwischen den Hülsen erstreckt und in Enden endet, die mit den Hülsen in Eingriff sind, und das eine Dichtung bildet, die eine Strömung von Kühlmedium durch die Öffnungen durch das rohrförmige Element mit verminderter Beanspruchung aus thermischer Fehlanpassung zwischen den Schaufeln und der Abstandsplatte ermöglicht.

7. Turbine nach Anspruch 1, wobei der Durchlass (106a) mehrere in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Einlässe und Auslässe (110) in benachbarten Radrändern auf gegenüberliegenden Seiten von wenigstens einer Abstandsscheibe und Strömungsdurchlässe durch und im allgemeinen axial entlang den benachbarten Radrändern enthält, wobei die Einlässe und die Auslässe so angeordnet sind, daß sie das Kühlmedium von den Einlässen allgemein nach innen entlang der einen Seite (84) von der einen Abstandsscheibe und allgemein nach aussen entlang der gegenüberliegenden Seite (86) von der einen Abstandsscheibe für eine Strömung durch die Auslässe leiten, wodurch die Durchlässe und die Einwärts- und Auswärtsströmungen einen allgemein serpentimenförmigen Durchlass bilden.

8. Turbine nach Anspruch 1 in Kombination mit Turbinenschaufeln (200), wobei das Rad, das Teil der einen Stufe bildet, mehrere Kühlmedium-Strömungsöffnungen in Verbindung mit den Kanälen und dem Durchlass aufweist, wobei die Schaufeln mehrere Kühlmediumöffnungen in Übereinstimmung mit den Radöffnungen haben für eine Strömung von Kühlmedium durch sie hindurch, Übergangseinrichtungen (206) zum Abdichten zwischen den Öffnungen des Rades und der Schaufeln und zum Ermöglichen von Strömung von Kühlmedium durch sie hindurch, wobei jede Übergangseinrichtung eine rohrförmige Hülse aufweist, die verschiebbar und dichtend in einer übereinstimmenden Öffnung des Rades neben der Verbindungsstelle von einer Schaufel und dem Rad befestigt ist, eine Feder (212) zum Vorspannen der Hülse für eine Bewegung in Richtung auf die Schaufel, eine kugelförmige Dichtfläche (208), die von der Hülse an ihrem einen Ende getragen ist, einen Sitz, der von der Schaufel in einer übereinstimmenden Öffnung davon getragen ist, wobei die Hülse in der Radöffnung in einer Richtung von der Schaufel weg und entgegen der Vorspannung der Feder verschiebbar ist bei einem Schiebeeingriff der Schaufel auf das Rad und in einer Richtung auf die Schaufel zu unter der Vorspannung der Feder, um die Kugelfläche der Hülse und den Sitz gegeneinander abzudichten als Antwort auf ein endgültiges Lokalisieren der Schaufel auf dem Rad.

9. Turbine enthaltend:

einen vielstufigen Rotor (24), der eine Achse hat und mehrere Turbinenräder (38, 40, 42, 44) mit Rändern zum Befestigen von Turbinenschaufeln (46, 48, 50, 52) und Abstandsscheiben mit Rändern (104) enthält, wobei die Abstandsscheiben abwechselnd zwischen den Rädern angeordnet sind und Radkammern (84, 86) dazwischen bilden, wobei die Räder und Abstandsscheiben aneinander befestigt sind,

ein Reservoir (96) zum Zuführen eines Kühlmediums zu dem Rotor,

mehrere allgemeinen axial verlaufende Kanäle (106), die mit dem Kühlmedium-Versorgungsreservoir (96) in Verbindung sind und axial durch die Rad- und Abstandsscheibenränder hindurchführen zum Zuführen des Kühlmediums zu den Turbinenschaufeln von wenigstens einer Stufe des Rotors, und

mehrere radial nach innen gerichtete Schlitze (129) in Verbindung mit den Turbinenschaufeln der einen Stufe, um verbrauchtes Kühlmedium zu einem axial verlaufenden Rückleitkanal (120) zu leiten.