DE102007007090A1

DE102007007090A1 - Gasturbine mit Kühlluft-Übertragungssystem

Info

Publication number: DE102007007090A1
Application number: DE102007007090A
Authority: DE
Inventors: Yoshimasa Takasago Takaoka; Masato Takasago Araki; Vincent Lake Mary Laurello; Masahito Takasago Kataoka; Junichiro Takasago Masada; Koichi Takasago Ishizaka; Naoki Takasago Hagi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2007-11-08
Also published as: US20070271930A1; CN101067381B; JP4959290B2; CN101067381A; JP2007298020A

Abstract

Eine Gasturbine umfasst ein Kühlluft-Übertragungssystem. Das Kühlluft-Übertragungssystem extrahiert einen Teil von aus einem Kompressor ausgetragener Luft zu einer Kammer und überträgt den Teil der Luft als Kühlluft zu einer Rotorscheibe. Das Kühlluft-Übertragungssystem umfasst mehrere rohrförmige Düsen (11), die unabhängig in einem Kreis innerhalb der Kammer angeordnet sind und einen Rotor umgeben, und eine Dichtungsscheibe (3) mit Dichtungsscheiben-Kühlleitungen (4), die in einem Kreis um die Achse des Rotors angeordnet sind, um aus den rohrförmigen Düsen (11) ausgestoßene Kühlluft aufzunehmen. Das Kühlluft-Übertragungssystem verwirbelt die aus den rohrförmigen Düsen (11) ausgestoßene Kühlluft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einem Kühlluft-Übertragungssystem für Luft, welche Laufschaufeln kühlt.
10 ist eine Konzeptdarstellung der allgemeinen Konfiguration einer Gasturbine, und 11 ist eine strukturelle Darstellung eines Kühlluft-Übertragungssystems und dessen Peripherie in einem bekannten Gasturbinen-Typ.
In einer Gasturbine wird, wie 10 zeigt, durch einen Kompressor 51 komprimierte Luft einer Brennkammer 52 zugeführt, Verbrennungsgas wird durch Verbrennung erzeugt nachdem Brennstoff zu der Druckluft gemischt wurde, und in eine Turbine 53 eingeleitet, um die Turbine 53 zu drehen, wobei Energie von einem Energiegenerator 54 durch die Drehung der Turbine 53 erhalten wird. Da die Temperatur des erzeugten Verbrennungsgases hoch ist, ist es notwendig, Laufschaufeln und Leitschaufeln zu kühlen. Zu diesem Zweck wird üblicherweise ein Teil der Kühlluft aus einer Kammer extrahiert, die an einer Austragsseite des Kompressors 51 zum Speichern von Luft vorgesehen ist, und wird über ein Kühlluft-Übertragungssystem den Laufschaufeln zugeführt.
Ein Beispiel eines Kühlluft-Übertragungssystems, das Kühlluft für Laufschaufeln und Leitschaufeln in der Gasturbine verwendet, wird mit Bezug auf 11 beschrieben. Gemäß 11 sind Laufschaufeln 33 der ersten Stufe in einem Kreis um eine Rotorscheibe herum angeordnet, die koaxial mit dem Kompressor 51 ist. Die Laufschaufeln 33 der ersten Stufe nehmen den Druck eines Verbrennungsgases F2 von der Brennkammer 52 auf und drehen die Rotorscheibe 34 der ersten Stufe. Auf ähnliche Weise sind Leitschaufeln 32 der ersten Stufe in einem Kreis nahe einer Kammer 42 so angeordnet, dass sie koaxial mit der Rotorscheibe 34 der ersten Stufe sind. Die Leitschaufeln 32 der ersten Stufe, die Laufschaufeln 33 der ersten Stufe und die Rotorscheibe 34 der ersten Stufe bilden eine Einheit 31 der ersten Stufe. Eine Einheit der zweiten Stufe und eine Einheit der dritten Stufe (nicht gezeigt) sind ebenfalls koaxial mit der stromabwärtigen Seite der Einheit 31 der ersten Stufe verbunden. Stromauf der Einheit 31 der ersten Stufe ist ein Kühlluft-Übertragungssystem vorgesehen, um Kühlluft F1 für die Laufschaufeln aus der benachbarten Kammer 42 in die Rotorscheibe 34 der ersten Stufe einzuspeisen.
Das Kühlluft-Übertragungssystem umfasst TOBI-Düsen 45 (TOBI = "Tangential Onboard Injection") sowie eine Dichtungsscheibe 46. Die Dichtungsscheibe 46 ist koaxial mit der Rotorscheibe 34 der ersten Stufe verbunden und dreht sich zusammen mit dieser. Die Dichtungsscheibe 46 umfasst Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 47, die aus Durchgangslöchern gebildet sind und die in gleichen Abständen in einem Kreis um die Achse eines Rotors 41 herum angeordnet sind. Die Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 47 dienen zum Leiten von aus der Kammer 42 extrahierter Kühlluft F1 zu der Einheit 31 der ersten Stufe. Die Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 47 sind so angeordnet, dass ein durch Verbinden ihrer Mitten erhaltener Kreis einen Teilungskreis bildet, der auf die Achse des Rotors 41 zentriert ist.
Aus dem Kompressor 51 ausgetragene Luft wird in der Kammer 42 gespeichert, und ein Teil der aus der Kammer 42 extrahierten Kühlluft F1 wird vorübergehend in eine Ablasskammer ("bleeding chamber") 43 eingeleitet. Die Ablasskammer 43 ist ein ringförmiger Raum, der von dem Rotor 41 und einer Trennwand 48 umgeben ist, und dient zum gleichmäßigen Zuführen der Kühlluft F1 zu dem Kühlluft-Übertragungssystem. Die Kühlluft F1 wird aus der Kammer 42 über die Ablasskammer 43 in das Kühlluft-Übertragungssystem eingespeist. Die Kühlluft wird der Rotorscheibe 34 der ersten Stufe und den Laufschaufeln 33 der ersten Stufe über einen Kühlluft-Einlass 44, die TOBI-Düsen 45 und die in der Dichtungsscheibe 46 vorgesehenen Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 47 zugeführt. Die Kühlluft F1 wird auch der Einheit der zweiten Stufe und der Einheit der dritten Stufe (nicht gezeigt) zugeführt, die stromab der Einheit 31 der ersten Stufe vorgesehen sind, um Laufschaufeln in diesen Einheiten zu kühlen.
Während die Ablasskammer 43 und die TOBI-Düsen 45 stationär sind, drehen sich die Dichtungsscheibe 46 und die Rotorscheibe 34 der ersten Stufe zusammen um die Achse des Rotors 41. Im allgemeinen kommt es, wenn von den stationären TOBI-Düsen 45 ausgestoßene Kühlluft F1 in die Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 47 der sich drehenden Dichtungsscheibe 46 eingeleitet wird, zu einem Energieverlust. Das heißt, die Kühlluft F1 hat eine Geschwindigkeitskomponente in der Umfangsrichtung der Dichtungsscheibe 46, wenn sie jede Dichtungsscheiben-Kühlleitung 47 durchströmt, hat aber keine solche Umfangsgeschwindigkeitskomponente unmittelbar bevor sie aus der Ablasskammer 43 in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 47 eingeleitet wird. Daher wird, wenn eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Kühlluft F1 und der Dichtungsscheibe 46 besteht und die Kühlluft F1 in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 47 übertragen wird, ein bestimmter Energieverlust (als Pumpverlust bezeichnet) bei der Übertragung verursacht. Der Pumpverlust wird hauptsächlich in Wärme umgewandelt. Das heißt, wenn ein starker Pumpverlust verursacht wird, nimmt die Temperatur der Kühlluft F1 zu, wenn die Kühlluft F1 in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 47 der Dichtungsscheibe 46 eingeleitet wird, und dies schwächt die Kühlwirkung der Laufschaufeln ab. Wenn hingegen der Pumpverlust gering ist, kann der Temperaturanstieg begrenzt werden, die Kühlwirkung der Laufschaufeln wird verbessert und der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine wird angehoben. Daher ist es wichtig, den Pumpverlust zu minimieren. Zu diesem Zweck muss der Kühlluft F1 eine Geschwindigkeitskomponente in der Umfangsrichtung der Dichtungsscheibe 46 vermittelt werden, wenn die Kühlluft F1 in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 47 eingeleitet wird. Die TOBI-Düsen 45 dienen dazu, der Kühlluft F1 eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente zu vermitteln, um diese zu verwirbeln, wodurch der Pumpverlust verringert wird.
Die TOBI-Düsen 45 bilden herkömmlicherweise einen Düsenring mit einer Vielzahl von mit Schaufeln bzw. Flügeln versehenen Düsen darin. Die TOBI-Düse 45 verwirbelt Kühlluft durch Austragen der Kühlluft in der Drehrichtung der Dichtungsscheibe 46, um den Pumpverlust zu verringern und den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine zu verbessern. Die ungeprüften japanischen Patentanmeldungen, Veröffentlichungsnummern 2004-100686 und 2004-003494 offenbaren Beispiele von Kühlluft-Übertragungssystemen, welche bekannte Flügel-TOBI-Düsen 45 anwenden. Ein Beispiel eines Düsenrings mit Flügel-TOBI-Düsen ist in 2 der ungeprüften japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2004-003494 offenbart.
Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2004-003493 offenbart röhrenartige TOBI-Düsen, die Kühlluft einer Schubausgleichsscheibe in einem Axialströmungskompressor zuführen.
Die Flügel-TOBI-Düsen haben aber eine komplizierte Struktur, und ihre Herstellungskosten sind hoch. Ferner besteht eine Begrenzung bei der Installation der Flügel-TOBI-Düsen, da die TOBI-Düsen in der Ablasskammer 43 installiert sind, die als schmaler ringförmiger Raum dient, der innerhalb der Kammer 42 vorgesehen ist und von der Trennwand 48 und dem Rotor 41 umgeben ist. Andererseits können die in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2004-003493 offenbarten röhrenartigen TOBI-Düsen keine wirksame Wirbelströmung erzeugen, und der Pumpverlust ist erhöht.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Gasturbine, die die oben beschriebenen Probleme löst und die mit einem kompakten und kostengünstigen Kühlluft-Übertragungssystem mit einem einfachen Aufbau ausgestattet ist.
Eine Gasturbine gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Merkmale des Patentanspruches 1. Insbesondere umfasst sie ein Kühlluft-Übertragungssystem, welches einen Teil von von einem Kompressor ausgetragener Luft in eine Kammer extrahiert, und die den Teil der Luft als Kühlluft zu einer Rotorscheibe übertragt. Das Kühlluft-Übertragungssystem umfasst mehrere röhrenförmige Düsen, die unabhängig in einem Kreis innerhalb der Kammer angeordnet sind und einen Rotor umgeben und die Kühlluft ausstoßen können, und eine Dichtungsscheibe mit Dichtungsscheiben-Kühlleitungen, die in einem Kreis um eine Achse des Rotors so angeordnet sind, dass sie die von den rohrförmigen Düsen ausgestoßene Kühlluft aufnehmen. Jede der rohrförmigen Düsen ist so angeordnet, dass eine Achse der rohrförmigen Düse konstant eine Achse des Rotors unter einem Neigungswinkel in einer Drehrichtung der Dichtungsscheibe kreuzt.
Da in diesem Fall TOBI-Düsen mit einem einfacheren Aufbau als Flügel-TOBI-Düsen eingesetzt werden können, werden die Kosten des Systems verringert. Da außerdem die Kühlluft einfach verwirbelt werden kann, wird ein Pumpverlust verringert und der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert.
Vorzugsweise ist ein Schnittpunkt der Achse der rohrförmigen Düse und eine Oberfläche der Dichtungsscheibe gegenüber der rohrförmigen Düse auf einem Teilungskreis der Dichtungsscheiben-Kühlleitungen vorgesehen, wobei der Teilungskreis an der Dichtungsscheibe so vorgesehen ist, dass er auf die Achse des Rotors zentriert ist, und der Abstand zwischen einem Ausgangsende der rohrförmigen Düse und dem Schnittpunkt so bestimmt ist, dass eine Strahlströmung der Kühlluft nicht gedämpft wird.
Da in diesem Fall die Strahlströmung der aus der rohrförmigen Düse ausgestoßenen Kühlluft nicht gedämpft wird, wird ein Pumpverlust verringert.
Vorzugsweise ist die Bohrung der rohrförmigen Düse durch den Druck und die Temperatur der Kühlluft bestimmt. Der Druck der Kühlluft ist durch einen Druckverlust, der in der rohrförmigen Düse verursacht wird, und durch einen Kühlluft-Übertragungsverlust, der durch eine relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Kühlluft und einer Umfangsgeschwindigkeit der Dichtungsscheibe bestimmt wird, bestimmt. Die Temperatur der Kühlluft wird durch eine Kühlluft-Temperaturänderung bestimmt, die von einer Temperaturabnahme wird, welche der Expansionsrate der Kühlluft in der rohrförmigen Düse entspricht, sowie durch eine Kühlluft-Temperaturänderung, die der relativen Geschwindigkeitsdifferenz entspricht, bestimmt.
Da in diesem Fall die optimale Düsenbohrung ausgewählt werden kann, wird der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine verbessert.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Austrittsende der rohrförmigen Düse und dem Schnittpunkt kleiner oder gleich dem Zehnfachen der Bohrung der rohrförmigen Düse.
In diesem Fall erreicht der Kühlluftstrom die Dichtungsscheiben-Kühlleitung ohne Abnahme seiner Mittengeschwindigkeit. Daher kann der Kühlluftstrom einfach in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung übertragen werden, und dies verringert den Pumpverlust.
Vorzugsweise umfasst die rohrförmige Düse einen Düsenkörper und eine Düsenspitze, die abnehmbar sind.
Da in diesem Fall der Düsenkörper und die Düsenspitze einfach angebracht und abgenommen werden können, ist eine einfache Wartung möglich.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine strukturelle Darstellung einer Gasturbine mit einem Kühlluft-Übertragungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Schnittansicht längs einer Linie II-II in 1 zur Darstellung eines Anordnungsbeispiels der rohrförmigen Düsen bei der ersten Ausführungsform,
3 eine Vorderansicht einer Dichtungsscheibe bei der ersten Ausführungsform,
4A eine perspektivische Ansicht des Kühlluft-Übertragungssystems zur Darstellung der dreidimensionalen Beziehung zwischen den Komponenten,
4B eine Schnittansicht längs einer Linie IVB-IVB in 4A, und
4C eine Schnittansicht längs einer Linie IVC-IVC in 4B,
5A eine erläuternde Darstellung der Beziehung zwischen einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente von Kühlluft und der Umfangsgeschwindigkeit der Dichtungsscheibe,
5B eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Temperaturänderung der Kühlluft und der relativen Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut), die durch die Übertragung verursacht wird, und
5C eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Kühlluft-Übertragungsverlust und der relativen Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut),
6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Geschwindigkeitsverhältnis der Kühlluft (V/Vm) und dem Verhältnis L/D,
7A und 7B strukturelle Darstellungen der rohrförmigen Düsen bei der ersten Ausführungsform,
8 eine graphische Darstellung der Änderungen im Druck der Kühlluft,
9 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung der Verfahrensweise zum Berechnen der Drücke der Kühlluft,
10 eine Konzeptdarstellung der allgemeinen Konfiguration einer Gasturbine, und
11 eine strukturelle Darstellung eines Kühlluft-Übertragungssystems und seiner Peripherie bei einem bekannten Gasturbinen-Typ.
Im folgenden wird zwar eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, es ist jedoch anzumerken, dass die Ausführungsform nur exemplarisch ist und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränkt. Komponenten, die ähnlich denjenigen im Stand der Technik sind, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und detaillierte Beschreibungen hiervon entfallen.
Im folgenden wird zunächst eine Gasturbine, die ein Kühlluft-Übertragungssystem gemäß der Erfindung aufweist, beschrieben. Das Konzept einer Gasturbine mit einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine wurde bei der Beschreibung des Hintergrunds der Erfindung vermittelt, und daher entfällt eine detaillierte Beschreibung hiervon. Gemäß 1 umfasst ein Kühlluft-Übertragungssystem 1, das den Kern der Erfindung bildet, eine Gruppe 2 aus mehreren rohrförmigen Düsen 11, die an einer Innenfläche einer Trennwand 48 innerhalb einer Kammer 42 vorgesehen sind, welche von dem Kompressor ausgetragene Luft speichert, sowie eine Dichtungsscheibe 3, die stromab von und nahe an der Gruppe 2 rohrförmiger Düsen 2 vorgesehen ist und Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 4 aufweist. Die Gruppe 2 rohrförmiger Düsen 2 dient zum Extrahieren eines Teils der Luft aus der Kammer 42 und zum Zuführen von Kühlluft F1 zu den Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 4 der Dichtungsscheibe 3. Die rohrförmigen Düsen 11 in der Gruppe 2 sind an der innerhalb der Kammmer 42 vorgesehenen Trennwand 48 angebracht und sind separat in einem Kreis um einen Rotor 41 angeordnet, wodurch eine rohrartige TOBI-Düseneinheit gebildet wird.
Die Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 4 sind nahe dem Außenumfang der Dichtungsscheibe 3 angrenzend an die Gruppe 2 rohrförmiger Düsen so vorgesehen, dass sie sich durch die Dichtungsscheibe 3 und parallel zu einer Rotorachse 41a erstrecken und in einem Kreis gleich beabstandet sind. Die Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 4 nehmen von den rohrförmigen Düsen 11 ausgestoßene Kühlluft F1 auf, und führen die Kühlluft F1 einer ersten, stromab hiervon vorgesehenen Rotorscheibe 34 zu. Die Kühlluft F1 kühlt Laufschaufeln, bevor sie schließlich aus an den Enden bzw. Außenseiten der Laufschaufeln vorgesehenen Kühllöchern in Verbrennungsgas ausgestoßen wird.
2 zeigt ein Beispiel, bei dem die Gruppe 2 rohrförmiger Düsen acht rohrförmige Düsen 11 umfasst (ein Schnitt längs einer Linie II-II in 1). Um den Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 4 der Dichtungsscheibe 3 gleichmäßig Kühlluft zuzuführen, ist vorzuziehen, dass eine Anzahl von 4 bis 32 rohrförmiger Düsen 11, gleichmäßig in einem Kreis um die Rotorachse 41 herum beabstandet sind. Wenn die Anzahl der rohrförmigen Düsen 11 drei oder weniger beträgt, ist es schwierig, die Kühlluft gleichmäßig zu verteilen. Wenn hingegen die Anzahl der rohrförmigen Düsen 11 32 überschreitet, ist es schwierig, einen ausreichenden Montageraum sicherzustellen, und dies erhöht die Kosten. In 2 stellt ein Kreis A3 einen Düsenkörper-Mittenteilungskreis dar, der durch Verbinden der Mittelpunkte (Punkte A in 4A) der Düsenkörper 12, welche die rohrförmigen Düsen 11 festlegen, gebildet ist. Das heißt, mehrere rohrförmige Düsen 11 sind separat in einem Kreis auf dem Düsenkörper-Mittenteilungskreis A3 angeordnet. 3 ist eine Vorderansicht eines Beispiels einer Dichtungsscheibe 3 (eine Schnittansicht längs einer Linie II-II in 1). Ein Dichtungsscheiben-Kühlleitungs-Teilungskreis A2 ist durch Verbinden der Mittelpunkte der Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 4 gebildet.
4A zeigt dreidimensional die Positionsbeziehung zwischen den rohrförmigen Düsen 11 und den Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 4. Die Dichtungsscheibe 3 dreht sich gemeinsam mit dem Rotor 41 (1 und 3). Es sind zwar mehrere rohrförmige Düsen 11 auf dem Düsenkörper-Mittenteilungskreis A3 angeordnet, wegen der einfacheren Erklärung ist aber nur eine rohrförmige Düse 11 in 4A dargestellt. Die 4B und 4C sind eine Seitenansicht (eine Schnittansicht längs einer Linie IVB-IVB in 4A) bzw. eine Draufsicht (eine Schnittansicht längs einer Linie IVC-IVC in 4B), welche die Beziehung zwischen der rohrförmigen Düse 11 und den Dichtungsscheiben-Kühlleitungen 4 zeigen. In 4A stellt ein Punkt 0 einen Rotor-Mittelpunkt auf einer Dichtungsscheiben-Drehfläche 3a der Dichtungsscheibe 3 dar, eine X-Achse stellt eine durch den Punkt 0 senkrecht zu der Rotorachse 41a hindurchgehende Achse dar, eine Y-Achse stellt eine Horizontalachse dar, die mit der Rotorachse 41a koinzidiert, und eine Z-Achse stellt eine Horizontalachse dar, die durch den Punkt 0 orthogonal zu der Y-Achse verläuft. Ferner stellt ein Punkt A den Mittelpunkt des Düsenkörpers 12 der rohrförmigen Düse 11 dar (7A und 7B), ein Punkt B stellt einen Schnittpunkt einer Achse der rohrförmigen Düse A1 (eine Linie, die sich von dem axialen Zentrum an einem Ausgang der rohrförmigen Düse 11 erstreckt) mit dem Teilungskreis A2 der Dichtungsscheiben-Kühlleitungen dar, ein Punkt C stellt einen Schnittpunkt einer parallel zu der Y-Achse vom Punkt A auf die X-Achse fallenden Senkrechten dar, und ein Punkt D stellt einen Schnittpunkt einer parallel zu der Z-Achse vom Punkt B auf die X-Achse fallenden Senkrechten dar.
Die an der Trennwand 48 angebrachte rohrförmige Düse 11 ist stationär. Andererseits drehen sich die benachbarte Dichtungsscheibe 3 und die stromabwärtige erste Rotorscheibe 34 gemeinsam mit dem Rotor 41. Daher ist es für die ungehinderte Strömung der Kühlluft F1 von der rohrförmigen Düse in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 nötig, die Kühlluft F1 zu verwirbeln. In der Flügel-TOBI-Düse, die bei der Beschreibung des Standes der Technik erläutert wurde, sind mehrere Schaufeln bzw. Flügel in einem Kreis innerhalb eines Düsenrings angeordnet, und Kühlluft wird in der Umfangsrichtung innerhalb des Düsenrings durch die Flügel verwirbelt, und den benachbarten Dichtungsscheiben-Kühlleitungen zugeführt. Die rohrartige TOBI-Düse hat keine so komplizierte Flügelstruktur.
Wenn die in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2004-003493 offenbarte rohrartige TOBI-Düse verwendet wird, ist die Richtung, in der Kühlluft aus der rohrförmigen Düse ausgestoßen wird (Achse der rohrförmigen Düse), parallel zu der Rotorachse. Das heißt, Kühlluft wird entlang einer Ebene ausgestoßen, die den Punkt A enthält der parallel zu der Rotorachse 41a ist, und die senkrecht zu einer Ebene ist, welche die Rotorachse 41a und den Punkt A enthält (nachstehend als Düsen-Blasebene bezeichnet). Wenn die Achse der rohrförmigen Düse A1, die durch die entlang dieser Ebene ausgestoßene Kühlluft gebildet wird, auf die Düsen-Blasebene projiziert wird, ist sie konstant parallel zu der Rotorachse 41a auf der Düsen-Blasebene als Projektionsebene. Ist die rohrförmige Düse wie bei der ungeprüften japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2004-003493 positioniert, muss der Neigungswinkel zwischen der Achse der rohrförmigen Düse A1 und der Rotorachse 41a (Winkel α in 4C) bis zu einem gewissen Maß groß sein, um eine Wirbelströmung zu erzielen. Wenn aber der Neigungswinkel zu groß ist, weicht die Richtung der aus der rohrförmigen Düse 11 ausgestoßenen Kühlluft nach außen von dem Dichtungsscheiben-Kühlleitungs-Teilungskreis A2 ab. Obwohl der Neigungswinkel bis zu einem gewissen Grad durch Absenken der Montageposition der rohrförmigen Düse 11 zu der Rotorachse 41a erhöht werden kann, um eine Abweichung nach außen zu vermeiden, ist wegen des ungenügenden Raums zwischen der rohrförmigen Düse 11 und der Außenfläche des Rotors 41 der Raum, in dem die Montageposition abgesenkt wird, begrenzt, und auch der Neigungswinkel ist begrenzt. Daher ist es unmöglich, bei diesem Verfahren eine wirksame Wirbelströmung zu erzielen.
Hingegen ist bei der rohrartigen TOBI-Düse gemäß der Erfindung zur Verwirbelung der Kühlluft F1 die rohrförmige Düse 11 in einem Abstand von der Dichtungsscheibe 3 so angeordnet, dass die Achse der rohrförmigen Düse A1 unter einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Rotorachse 41a in der Drehrichtung der Dichtungsscheibe 3 geneigt ist. Genauer gesagt muss die rohrförmige Düse 11 so angeordnet werden, dass, wenn die Achse der rohrförmigen Düse A1 auf die Düsen-Blasebene projiziert wird, eine Achse der rohrförmigen Düse auf der Projektionsebene (als projizierte Achse der rohrförmigen Düse A11 bezeichnet) die Rotorachse 41a immer auf der gleichen Projektionsebene und mit einem vorbestimmten Winkel in der Drehrichtung der Dichtungsscheibe 3 kreuzt. In 4A bedeutet die Drehrichtung der Dichtungsscheibe 3 die Richtung im Uhrzeigersinn, wenn die Dichtungsscheiben-Drehfläche 3a von der Seite der rohrförmigen Düse 11 aus betrachtet wird. Die 4B und 4C zeigen einen Fall, bei dem die Achse der rohrförmigen Düse A1 auf eine zu der Rotorachse 41a parallele und zu der Düsen-Blasebene orthogonale Ebene projiziert ist. In 4B und 4C entspricht die Achse der rohrförmigen Düse A1 der projizierten Achse der rohrförmigen Düse A11.
Im folgenden wird eine Struktur zum Erzeugen einer Wirbelströmung im einzelnen unter Bezugnahme auf 4B und 4C beschrieben. Die rohrförmige Düse 11 ist stromauf der benachbarten Dichtungsscheibe 3 und in einem vorbestimmten Abstand von der Drehfläche 3a der Dichtungsscheibe 3 angeordnet. Kühlluft F1 wird von der rohrförmigen Düse 11 zu dem Dichtungsscheiben-Kühlleitungs-Teilungskreis A2 auf der Dichtungsscheibe 3 entlang der Achse der rohrförmigen Düse A1 (der projizierten Achse der rohrförmigen Düse A11) ausgestoßen. Das heißt, der Montagewinkel der rohrförmigen Düse 11 ist so gewählt, dass die Achse der rohrförmigen Düse A1 (die projizierte Achse der rohrförmigen Düse A11) gegenüber der Rotorachse 41a unter einem vorbestimmten Winkel in der Drehrichtung der Dichtungsscheibe 3 geneigt ist. Infolgedessen kreuzt die Achse der rohrförmigen Düse A1 die Dichtungsscheiben-Drehfläche 3a an einem Punkt B auf dem Dichtungsscheiben-Kühlleitungs-Teilungskreis A2. Das heißt, der Montagewinkel ist durch den Winkel β (Teilungswinkel) dargestellt, der zwischen der Achse der rohrförmigen Düse A1 (der projizierten Achse der rohrförmigen Düse A11) und der Rotorachse 41a in 4B gebildet ist, und durch den Winkel α (Verwirbelungswinkel), der zwischen der Achse der rohrförmigen Düse A1 (der projizierten Achse der rohrförmigen Düse A11) und der Rotorachse 41a in 4C gebildet ist. Der Montagewinkel der rohrförmigen Düse 11 ist so gewählt, dass der Winkel α (Verwirbelungswinkel) und der Winkel β (Teilungswinkel) jeweils einen vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Rotorachse 41a bilden. Wenn die rohrförmige Düse 11 wie bei der ungeprüften japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2004-003493, angeordnet ist, beträgt der Teilungswinkel β in 4B Null, und die Achse der rohrförmigen Düse A1 (die projizierte Achse der rohrförmigen Düse A11) ist parallel zu der Rotorachse 41a.
Wenn der zwischen der Achse der rohrförmigen Düse A1 (der projizierten Achse der rohrförmigen Düse A11) und der Dichtungsscheiben-Drehfläche 3a gebildete Winkel als δ bzw. γ in den 4B und 4C bezeichnet wird, kann aus der rohrförmigen Düse 11 ausgestoßene Kühlluft F1 besser bzw. gleichmäßiger verwirbelt werden, indem die rohrförmige Düse 11 so angebracht wird, dass die Winkel α und β groß sind und die Winkel δ und γ klein. Da jedoch die rohrförmige Düse 11 direkt über der Außenfläche des Rotors 41 angeordnet ist, ist ihr Montageraum begrenzt. Falls der Montagewinkel zu groß ist, beeinflußt daher die Achse der rohrförmigen Düse A1 den Rotor 41, und dies stört die aus der rohrförmigen Düse 11 ausgestoßene Kühlluft F1. In Normalfällen wird der Winkel α in dem Bereich von 45° bis 90° eingestellt, vorzugsweise von 50° bis 80°, und der Winkel β wird in dem Bereich von 0° bis 45° eingestellt, vorzugsweise von 10° bis 40°. Indem der Montagewinkel so eingestellt wird, kann der aus der rohrförmigen Düse 11 ausgestoßenen Kühlluft F1 eine Geschwindigkeitskomponente in der Rotor-Umfangsrichtung vermittelt werden. Infolgedessen wird die Kühlluft F1 wirksam verwirbelt und kann einfach in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 übertragen werden. Dies verringert einen sich aus der Übertragung ergebenden Druckverlust.
Unter Bezugnahme auf die 5A bis 5C wird eine spezifische Beschreibung der Beziehung zwischen der relativen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Kühlluft F1 und der Dichtungsscheibe 3, dem Druckverlust und der Kühlluft-Temperaturänderung, die entsteht, wenn die Kühlluft F1 in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 übertragen wird, gegeben. Wie in 5A gezeigt ist, strömt aus der rohrförmigen Düse 11 ausgestoßene Kühlluft F1 entlang der Achse der rohrförmigen Düse A1 und erreicht den Punkt B an der Dichtungsscheiben-Drehfläche 3a. Die Kühlluft F1 erreicht den Punkt B mit einer Strömungsgeschwindigkeit (V) in der Richtung der Achse der rohrförmigen Düse A1, und mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente (Vt) und einer Axialgeschwindigkeitskomponente (VA). Wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Dichtungsscheibe 3 am Punkt B als Ut bezeichnet wird, ist vorzuziehen, dass die relative Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) zwischen der Umfangsgeschwindigkeit Ut und der Umfangsgeschwindigkeitskomponente Vt der Kühlluft F1 klein ist, damit die Kühlluft F1 reibungslos in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 übertragen wird.
In einer graphischen Darstellung der 5B gibt die Horizontalachse die relative Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) an, und die Vertikalachse gibt die Temperaturänderung der Kühlluft in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) an. Diese graphische Darstellung wurde experimentell erstellt. Wenn die relative Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) Null beträgt, wird die Temperatur der Kühlluft durch die Übertragung nicht verändert. Wenn die relative Geschwindigkeitsdifferenz zu der positiven Seite hin zunimmt, nimmt die Temperaturänderung der Kühlluft zu der negativen Seite hin zu. Das heißt, die Temperatur der Kühlluft nimmt nach der Übertragung relativ ab. Wenn hingegen die relative Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) zur negativen Seite hin zunimmt, nimmt die Temperaturänderung der Kühlluft im Gegensatz zu der obigen Feststellung zu der positiven Seite hin zu, und die Temperatur der Kühlluft steigt nach der Übertragung.
Wenn in 5B die Vertikalachse statt der oben beschriebenen Temperaturänderung der Kühlluft den Pumpverlust angibt, kann die Beziehung zwischen dem Pumpverlust und der relativen Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) abgelesen werden. Das heißt, wenn die relative Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) zur positiven Seite hin zunimmt, nimmt der Pumpverlust zur negativen Seite hin zu, und der Wirkungsgrad der Turbine steigt an. Wenn hingegen die relative Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) zur negativen Seite hin zunimmt, nimmt der Pumpverlust zur positiven Seite hin zu und der Wirkungsgrad der Turbine sinkt.
In 5C gibt die Horizontalachse die relative Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) an, und die Vertikalachse gibt den Kühlluft-Übertragungsverlust in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) an. Der Kühlluft-Übertragungsverlust wird durch einen Druckverlust infolge der relativen Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) und einen Druckverlust infolge beispielsweise einer kontrahierten Strömung verursacht, die entsteht, wenn die Kühlluft in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 einströmt. Der Kühlluft-Übertragungsverlust wird experimentell berechnet. Wie in 5C gezeigt ist, ist der Kühlluft-Übertragungsverlust minimal, wenn die relative Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) Null beträgt, und nimmt zu, wenn die relative Geschwindigkeitsdifferenz zur positiven Seite und zur negativen Seite hin zunimmt.
Die Positionsbeziehung zwischen der rohrförmigen Düse 11 und der Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 wird nun unter dem Gesichtspunkt der Dämpfung von aus der rohrförmigen Düse 11 ausgestoßener Kühlluft F1 beschrieben.
Im allgemeinen tendiert ein Kühlluft-Strömungsstrahl, der von einem Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse 11 ausgestoßen wird, dazu gedämpft zu werden, und seine Strömungsgeschwindigkeit tendiert in Abhängigkeit von dem Abstand vom Austrittsende 11a dazu, abzunehmen. Daher ist vorzuziehen, die rohrförmige Düse 11 und die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 innerhalb einer Distanz so anzuordnen, dass der Strömungsstrahl kaum gedämpft wird. Wenn der Abstand zwischen dem Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse und dem Punkt B in 4A zu groß ist, wird ein Kühlluft-Strömungsstrahl von der rohrförmigen Düse 11 stark gedämpft, bevor er den Punkt B erreicht, und die Strömungsgeschwindigkeit V der Kühlluft F1 in der Richtung der Achse der rohrförmigen Düse A1 nimmt ab. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit V abnimmt, verringert sich die relative Geschwindigkeitsdifferenz oder weicht zur negativen Seite hin ab. Insbesondere wenn die relative Geschwindigkeitsdifferenz zu der negativen Seite hin abweicht, bestehen nachteilige Einflüsse hinsichtlich der Temperaturänderung und des Übertragungsverlusts von Kühlluft sowie des Pumpverlustes. Auch wenn die relative Geschwindigkeitsdifferenz zur negativen Seite hin abweicht, kann jedoch der Wirkungsgrad der Gasturbine wirksamer verbessert werden als bei den herkömmlichen Gasturbinen, bei denen es schwierig ist, eine Fügel-TOBI-Düse anzubringen.
6 zeigt den Grad der Dämpfung eines Kühlluft-Strömungsstrahls in Abhängigkeit von dem Abstand von dem Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse. In 6 gibt die Horizontalachse das Verhältnis (L/D) des Abstands L zwischen dem Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse und dem Punkt B und der Bohrung D der rohrförmigen Düse 11 an, und die Vertikalachse gibt das Verhältnis (V/Vm) der maximalen Blasgeschwindigkeit (Vm) des Kühlluft-Strömungsstrahls und der Kühlluft-Strömungsgeschwindigkeit (V) an. Die maximale Kühlluft-Blasgeschwindigkeit (Vm) bezieht sich auf die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft F1 unmittelbar nachdem die Kühlluft F1 aus dem Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse ausgestoßen worden ist. Wie in 6 gezeigt ist, nimmt die Mittelgeschwindigkeit der Kühlluft F1 kaum ab, wenn das Verhältnis L/D 10 oder weniger beträgt. Wenn hingegen das Verhältnis L/D 10 übersteigt, nimmt die Mittengeschwindigkeit bemerkenswert ab. Das heißt, wenn das Verhältnis L/D 10 oder weniger beträgt, verursacht die Abnahme der Dämpfungsrate des Strömungsstrahls der Kühlluft F1 kein Problem. Wenn hingegen die Rate L/D 10 übersteigt, hat die Abnahme der Dämpfungsrate der Strahlströmung eine nachteilige Auswirkung. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Strahlströmung der Kühlluft F1 in einem Bereich nicht gedämpft wird, so dass die Mittengeschwindigkeit der Kühlluft F1 nicht abnimmt, ist vorzuziehen, den Abstand L von dem Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse so festzulegen, dass er kleiner oder gleich dem Zehnfachen der Düsenbohrung D ist, in der die Strahlströmung nicht gedämpft wird. Diese Beziehung zwischen der Länge L und der Bohrung D wird mit Bezug auf 4A beschrieben. Wenn der Mittelpunkt des Austrittsendes 11a der rohrförmigen Düse als E in 4A bezeichnet wird, entspricht die Länge zwischen den beiden Punkten B und E auf der Achse der rohrförmigen Düse A1 dem oben beschriebenen Abstand L. Durch Einstellen der Länge L zwischen den Punkten B und E auf das Zehnfache der Düsenbohrung D kann eine Dämpfung der Strahlströmung der Kühlluft F1 gemindert werden.
Im folgenden wird die Struktur der rohrförmigen Düse 11 beschrieben. Wie in den 7A und 7B gezeigt ist, umfasst die rohrförmige Düse 11 einen Düsenkörper 12, eine Düsenspitze 13, einen Düsenflansch 14 und einen Montagebolzen 15. Die rohrförmige Düsen ist an der Trennwand 48 durch Anbringen des Düsenflansches 14 an einer Innenfläche der Trennwand 48 durch den Montagebolzen 15 befestigt. Die Bolzenbefestigung gestattet es, Düsen unabhängig anzubringen und abzunehmen, und es ist nicht notwendig, alle Düsen zusammen zu ersetzen, im Gegensatz zu dem Dichtungsring der mit Schaufeln versehenen Dichtungsscheibe. Daher ist eine einfache Wartung möglich. Der Düsenkörper 12 ist aus einem gebogenen Teil gebildet, da er Kühlluft F1 von einem Kühllufteinlass 44 aufnehmen muss, der in der Trennwand 48 vorgesehen ist, und um unmittelbar die Richtung der Kühlluft F1 zu der Dichtungsscheiben-Drehfläche hin 3a umzulenken. Aus diesem Grund kann ein kleinerer Biegeradius und eine kompaktere Düsenstruktur erzielt werden als bei einer rohrförmigen Düse, die durch ein typisches gebogenes Rohr gebildet ist. Wenn die Kühlluft F1 von der Kammer 42 in die rohrförmige Düse 11 eingeleitet wird, kontrahiert sie rasch, und daher wird die Strömung der Kühlluft F1 leicht gestört. Um die Störung zu minimieren, ist ein Luftreservoir 16 innerhalb des Düsenkörpers 12 vorgesehen. Die Luftströmung verbleibt eine Zeit lang in dem Luftreservoir 16, und dies gleicht die Störung der Luftströmung aus. Die Düsenspitze 13 ist am Düsenkörper 12 durch eine Schraubstruktur befestigt. Mit dieser Struktur kann, wenn die Düsenspitze 13 beschädigt ist, oder wenn die Düsenspitze 13 gegen eine Düsenspitze mit unterschiedlichen Spezifikationen wegen der Änderung der Betriebsbedingung ausgetauscht wird, ein Austausch auf einfache Weise erfolgen. Ferner nimmt der Innendurchmesser der Düsenspitze 13 allmählich von dem Luftreservoir 16 zu einem Düsenspitzen-Austrittsende 13a hin ab, und die Düsenspitze 13 hat einen kreisförmigen Querschnitt mit linearen Abschnitten nahe dem Austrittsende 13a. In diesem Fall kann eine Rektifizierungswirkung der Luft innerhalb der rohrförmigen Düse 11 erwartet werden, und die Luftströmung wird am Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse kaum gestört. Die oben beschriebene Düsenbohrung D entspricht dem Innendurchmesser d einer Öffnung an dem Düsenspitzen-Austrittsende 13a.
Nachstehend wird eine Beschreibung der Druckänderung von Kühlluft von einem Eingang der rohrförmigen Düse bis zur Außenseite bzw. dem Ende einer Laufschaufel in dem Kühlluft-Übertragungssystem 1 der Erfindung gegeben. Gemäß 1 ist der Druck von Verbrennungsgas am Eingang einer Leitschaufel (Leitschaufel 32 der ersten Stufe) und der Druck am Eingang der rohrförmigen Düse 11 (Druck am Kühllufteinlass 44) geringfügig niedriger als oder gleich dem Kammerluftdruck, und es ist anzunehmen, dass der Kammerluftdruck, der Druck des Verbrennungsgases am Eingang der Leitschaufel und der Druck am Eingang der rohrförmigen Düse im wesentlichen gleich sind. Ein Verbrennungsgasabschnitt, in dem Kühlluft von der Außenseite bzw. dem Ende der Laufschaufel ausgestoßen wird, ist beispielsweise ein Bereich, in dem durch die Leitschaufel 32 der ersten Stufe passierendes Verbrennungsgas strömt. Der Druck P5 des Verbrennungsgases an der ersten Laufschaufel fällt unter den Kammerdruck (Druck P1 am Eingang der rohrförmigen Düse) wegen eines Druckverlustes durch den Durchgang. Damit die durch das Kühlluft-Übertragungssystem 1 passierende Laufschaufel-Kühlluft die Laufschaufel wirksam kühlt und in das Verbrennungsgas ausgestoßen wird, während die erforderliche Menge hiervon sichergestellt ist, muss der Laufschaufel-Außenseitendruck P4 konstant höher sein als der Laufschaufel-Verbrennungsgasabschnittsdruck P5. Wenn der Laufschaufel-Außenseitendruck P4 niedriger ist als der Laufschaufel-Verbrennungsgasabschnittsdruck P5, strömt das Hochtemperatur-Verbrennungsgas zurück in die Laufschaufel, und dies kann die Laufschaufel beschädigen. Vorstehend wurde zwar eine Einheit 31 der ersten Stufe als Beispiel beschrieben, die Beschreibung trifft aber auch auf eine Einheit der zweiten Stufe und eine Einheit der dritten Stufe (beide nicht dargestellt) zu, die stromab der Einheit 31 der ersten Stufe vorgesehen sind.
8 zeigt im einzelnen die Passagepunkte der Kühlluft in dem Laufschaufel-Kühlluftsystem und die Druckänderungen der Kühlluft. In 8 stellen PP1 bis PP5 auf der Horizontalachse die Passagepunkte der Kühlluft zwischen dem Eingang der rohrförmigen Düse 11 und dem Laufschaufel-Verbrennungsgasabschnitt dar. Genauer gesagt stellt PP1 den Eingang der rohrförmigen Düse 11 dar, PP2 stellt den Ausgang der rohrförmigen Düse 11 dar, PP3 stellt die Innenseite der Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 dar, PP4 stellt die Außenseite der Laufschaufel dar, und PP5 stellt den Laufschaufel-Verbrennungsgasabschnitt dar. Die Vertikalachse gibt den Druck der Kühlluft an. P1 bis P5 auf der Vertikalachse stellen die Drücke an den jeweiligen Passagepunkten PP1 bis PP5 dar.
Die Druckänderungen werden unter den Bedingungen überprüft, dass die erforderliche Menge von auf die Laufschaufeln aufgebrachter Kühlluft bestimmt wird, und dass die Anordnung der rohrförmigen Düsen 11 (das heißt, die Anzahl von Düsen) sowie der Abstand L zwischen jedem Austrittsende 11a der rohrförmigen Düsen (Punkt E) und dem Punkt B auf dem Dichtungsscheiben-Kühlleitungs-Teilungskreis A2, d.h. die Relativpositionen der rohrförmigen Düse 11 und der Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4, bestimmt wird. Durch Bestimmen der Düsenbohrung D unter diesen Bedingungen können die Druckänderungen vom Passagepunkt PP1 zum Passagepunkt PP4 berechnet werden. Das heißt, es ist möglich, anzunehmen, dass der Druckverlust im wesentlichen konstant ist, während zu der Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 übertragene Kühlluft F1 stromab durch die Dichtungsscheiben-Kühlleitungs-Innenseite PP3 strömt und dann die Laufschaufel-Außenseite PP4 erreicht, sofern nicht die Kühlluftmenge geändert wird. Hingegen variiert auch dann, wenn die Kühlluftmenge feststeht, der Druckverlust in Abhängigkeit von der Düsenbohrung D der im Einsatz befindlichen rohrförmigen Düse, während die Kühlluft F1 den Eingang PP1 der rohrförmigen Düse und den Ausgang PP2 der rohrförmigen Düse passiert und die Innenseite PP3 der Dichtungsscheiben-Kühlleitung erreicht.
Genauer gesagt wird der Ausgangsdruck P2 der rohrförmigen Düse und das Düsen-Expansionsverhältnis (das Verhältnis des Eingangsdrucks P1 der rohrförmigen Düse und des Ausgangsdrucks P2 der rohrförmigen Düse) durch die Düsenbohrung D bestimmt. Außerdem wird der Druckverlust in der rohrförmigen Düse 11 bestimmt. Kühlluft F1, die sich in der rohrförmigen Düse 11 ausdehnt, wird von dem Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse ausgestoßen, erreicht den Punkt B an dem Dichtungsscheiben-Kühlleitungs-Teilungskreis A2 und strömt dann in die Innenseite PP3 der Dichtungsscheiben-Kühlleitung. In diesem Fall wird gemäß 6 bestimmt, ob das Verhältnis L/D 10 oder weniger beträgt, um den Dämpfungseinfluss des Strömungsstrahls der Kühlluft zu vermeiden. Wenn die Kühlleitung F1 in die Innenseite PP3 der Dichtungsscheiben-Kühlluft einströmt, wird ein Kühlluft-Übertragungsverlust verursacht. Der Kühlluft-Übertragungsverlust umfasst einen Druckverlust infolge der relativen Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) zwischen der Umfangsgeschwindigkeit Ut der Dichtungsscheibe 3 und der Umfangsgeschwindigkeitskomponente Vt der Kühlluft F1, sowie einen Druckverlust, beispielsweise infolge einer Kontraktion am Eingang der Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4. Wenn davon ausgegangen wird, dass der Druckverlust in der rohrförmigen Düse 11 als ΔP1 bezeichnet wird, und der Kühlluft-Übertragungsverlust als ΔP2 bezeichnet wird, ist P2 = P1 – ΔP1, und P3 = P2 – ΔP2. Infolgedessen wird der Druck P3 an der Innenseite PP3 der Dichtungsscheiben-Kühlleitung und der Druck P4 an der Laufschaufel-Außenseite bestimmt. Wenn der Unterschied zwischen dem Laufschaufel-Außenseitendruck P4 und dem Laufschaufel-Verbrennungsgas abschnittsdruck P5 einen zulässigen Wert (α1) überschreitet, wird die Laufschaufel-Kühlluft konstant in das Verbrennungsgas ausgestoßen und eine normale Kühlung der Laufschaufeln ist sichergestellt.
Die Temperatur T1 der in die rohrförmige Düse 11 eingespeisten Kühlluft F1 ist im wesentlichen gleich der Kammerlufttemperatur. Wenn das Expansionsverhältnis an der rohrförmigen Düse 11 bestimmt wird, kann eine Temperaturabnahme ΔT1 am Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse auf der Basis der von der Dekompression der Kühlluft innerhalb der rohrförmigen Düse 11 bewirkten Expansion berechnet werden, und die Kühlluft-Temperatur T2 am Austrittsende 11a der rohrförmigen Düse kann bestimmt werden. Das heißt, T2 = T1 – ΔT1. Wenn ferner die Kühlluft F1 von der rohrförmigen Düse 11 in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 übertragen wird, erfolgt eine Kühlluft-Temperaturänderung ΔT2 in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut), wie in 5B gezeigt ist. Daher wird die Temperatur T3 der Kühlluft F1, die in die Laufschaufel über die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 einströmt, als T1 – ΔT1 + ΔT2 ausgedrückt. Um die Laufschaufel wirksam zu kühlen ist es notwendig, die Kühlluft-Temperatur T3 niedriger oder gleich einer Temperatur zu halten, die um einen vorbestimmten Wert (α2) niedriger ist als die Temperatur von Verbrennungsgas in dem Laufschaufel-Verbrennungsgasabschnitt.
Im folgenden wird eine Berechnungsprozedur der Drücke der Kühlluft an den Passagepunkten PP1-PP5 detailliert unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
Zunächst wird die Düsenbohrung D der rohrförmigen Düse 11 bestimmt (Schritt S1), und der Ausgangsdruck P2 der rohrförmigen Düse sowie das Düsen-Expansionsverhältnis werden berechnet (Schritt S2). Dann wird, wie oben beschrieben wurde, gemäß 6 bestimmt, ob das Verhältnis L/D 10 oder weniger hinsichtlich der Dämpfung des Strömungsstrahls der Kühlluft beträgt (Schritt S3). Wenn das Verhältnis L/D größer ist als 10, wird bestimmt, dass eine Dämpfung des Kühlluft- Strömungsstrahls exzessiv ist, und es wird wieder Schritt S1 ausgeführt, um die Düsenbohrung D einzustellen. Wenn das Verhältnis L/D 10 oder weniger beträgt, wird bestimmt, dass der Kühlluft-Strömungsstrahl nicht gedämpft wird, und die maximale Kühlluft-Blasgeschwindigkeit Vm am Ausgangsende 11a der rohrförmigen Düse sowie die Strömungsgeschwindigkeit V der Kühlluft F1 entsprechend dem vorbestimmten Verhältnis L/D werden berechnet (Schritt S4). Die Umfangsgeschwindigkeitskomponente Vt der Kühlluft F1 wird aus den obigen Werten Vm und V erhalten (Schritt S5). Anschließend wird die relative Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) berechnet (Schritt S6), und der Kühlluft-Übertragungsverlust ΔP2 entsprechend der relativen Geschwindigkeitsdifferenz (Vt-Ut) wird entsprechend 5C erhalten (Schritt S7). Wenn der Kühlluft-Übertragungsverlust ΔP2 bestimmt ist, wird der Dichtungsscheiben-Kühlleitungs-Innendruck P3 und der Laufschaufel-Außenseitendruck P4 der in die Dichtungsscheiben-Kühlleitung 4 übertragenen Kühlluft F1 berechnet (Schritte S8 und S9). Dann werden der Laufschaufel-Außenseitendruck P4 und der Laufschaufel-Verbrennungsgasabschnittsdruck P5 verglichen, um zu bestimmen, ob die Bedingung P4 ≥ P5 + α1 erfüllt ist (Schritt S10). Wenn P4 < P5 + α1 ist, strömt das Verbrennungsgas zurück in die Laufschaufel, und daher wird der Schritt S1 wieder ausgeführt, um die Düsenbohrung D einzustellen. Wenn P4 ≥ P5 + α1 ist, ist der Laufschaufel-Außenseitendruck P4 höher als der Laufschaufel-Verbrennungsgasabschnittsdruck P5, und das Verbrennungsgas strömt nicht zurück. In diesem Fall wird bestimmt, dass die eingestellte Düsenbohrung D die richtige ist, und dass die Drücke P1 bis P4 der Kühlluftströmung an den Passagepunkten PP1-PP4 richtig sind.
Wenn die Druckänderungen der Kühlluftströmung richtig bestimmt sind, wie oben beschrieben wurde, werden die Temperaturabnahme ΔT1 in der rohrförmigen Düse, die Kühllufttemperatur T2 am Ausgang der rohrförmigen Düse und die Kühllufttemperatur T3 am Eingang der Laufschaufel auf der Basis der Expansionsrate in der rohrförmigen Düse berechnet und es wird bestimmt, ob die Differenz zwischen der Laufschaufel-Verbrennungsgastemperatur T4 und der Kühllufttemperatur T3 in der Laufschaufel größer oder gleich dem vorbestimmten Wert α2 ist.
Durch die oben beschriebene Prozedur können die Spezifikationen des Kühlluft-Übertragungssystems optimiert werden. Dies kann den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine verbessern.

Claims

Gasturbine mit einem Kühlluft-Übertragungssystem, das einen Teil von aus einem Kompressor ausgetragener Luft in eine Kammer (42) extrahiert und das diesen Teil der Luft als Kühlluft zu einer Rotorscheibe (34) überträgt, wobei das Kühlluft-Übertragungssystem umfasst: mehrere rohrförmige Düsen (11), die unabhängig in einem Kreis innerhalb der Kammer (42) angeordnet sind und einen Rotor umgeben und die Kühlluft ausstoßen können, und eine Dichtungsscheibe (3) mit Dichtungsscheiben-Kühlleitungen (4), die in einem Kreis um eine Achse des Rotors so angeordnet sind, dass sie die von den rohrförmigen Düsen (11) ausgestoßene Kühlluft aufnehmen, und wobei jede der rohrförmigen Düsen (11) derart angeordnet ist, dass eine Achse der rohrförmigen Düse konstant eine Achse (41a) des Rotors unter einem Neigungswinkel in einer Drehrichtung der Dichtungsscheibe (3) kreuzt.
Gasturbine nach Anspruch 1, wobei ein Schnittpunkt der Achse der rohrförmigen Düse (11) und einer Oberfläche der Dichtungsscheibe (3) gegenüber der rohrförmigen Düse (11) auf einem Teilungskreis der Dichtungsscheiben-Kühlleitungen (4) vorgesehen ist, wobei der Teilungskreis auf der Dichtungsscheibe (3) so vorgesehen ist, dass er auf die Achse (41a) des Rotors zentriert ist, und der Abstand zwischen einem Ausgangsende der rohrförmigen Düse (11) und dem Schnittpunkt so festgelegt ist, dass ein Strömungsstrahl der Kühlluft nicht gedämpft wird.
Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bohrung der rohrförmigen Düse (11) durch den Druck und die Temperatur der Kühlluft bestimmt ist, wobei der Druck der Kühlluft durch einen Kühlluft- Übertragungsverlust bestimmt ist, der durch einen in der rohrförmigen Düse (11) verursachten Druckverlust und eine relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Kühlluft und einer Umfangsgeschwindigkeit der Dichtungsscheibe (3) bestimmt ist, und wobei die Temperatur der Kühlluft durch eine Kühlluftänderung bestimmt ist, die durch eine Temperaturabnahme entsprechend dem Expansionsverhältnis der Kühlluft in der rohrförmigen Düse (11) und der relativen Geschwindigkeitsdifferenz bestimmt ist.
Gasturbine nach Anspruch 3, wobei der Abstand zwischen dem Ausgangsende (11a) der rohrförmigen Düse (11) und dem Schnittpunkt kleiner oder gleich dem Zehnfachen der Bohrung der rohrförmigen Düse (11) ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die rohrförmige Düse (11) einen Düsenkörper (12) und eine Düsenspitze (13) aufweist, die abnehmbar sind.