軸流コンプレッサおよびそれに関連した作動方法
【課題】特にガスタービンのための軸流コンプレッサは流れ媒体を圧縮することを目的としている。
【解決手段】コンプレッサはステータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がステータブレードキャリアに固定された複数のコンプレッサステータブレードと、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフトのコンプレッサディスクに固定された複数のコンプレッサロータブレードと、を備え、各々２つの連続したコンプレッサディスクはそれらの間に形成された中空スペースを収容し、最後のコンプレッサディスクは、流れ媒体の流れ方向から見て後方中空スペースを画定している。
【解決手段】コンプレッサはステータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がステータブレードキャリアに固定された複数のコンプレッサステータブレードと、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフトのコンプレッサディスクに固定された複数のコンプレッサロータブレードと、を備え、各々２つの連続したコンプレッサディスクはそれらの間に形成された中空スペースを収容し、最後のコンプレッサディスクは、流れ媒体の流れ方向から見て後方中空スペースを画定している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流れ媒体を圧縮するための、特にガスタービンのための軸流コンプレッサに関し、そのコンプレッサはステータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がステータブレードキャリアに固定された複数のコンプレッサステータブレードと、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフトのコンプレッサディスクに固定された複数のコンプレッサロータブレードと、を備え、各々２つの連続したコンプレッサディスクはそれらの間に形成された中空スペースを収容し、最後のコンプレッサディスクは、流れ媒体の流れ方向から見て後方中空スペースを画定している。本発明はそのような軸流コンプレッサを作動するための方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは発電機または被駆動機械の駆動のために多くの分野において使用されている。この場合、燃料のエネルギ含量はタービンシャフトの回転動作を生み出すために使用されている。この目的のために、燃料は燃焼チャンバ内で燃焼され、圧縮空気がエアコンプレッサから供給される。この場合のエアコンプレッサは慣習的に軸流コンプレッサとして構成されている。燃料の燃焼の結果として燃焼チャンバ内に生成された高圧且つ高温の作動媒体は、この場合タービンユニットを通じて導かれる。タービンユニットには下流において燃焼チャンバが接続されており、そこで作動媒体は膨張して作動する。エアコンプレッサ、略してコンプレッサとタービンユニットとは慣習的に共通のシャフトに配置され、タービンユニットは作動の際にコンプレッサを駆動する。
【０００３】
ガスタービンの燃焼チャンバは、いわゆる環状燃焼チャンバとして構成され、その中にはタービンシャフトの周囲に周方向に配列された多数のバーナが、高耐熱周壁によって収容された共通の燃焼空間において開口している。この目的のために、燃焼チャンバは全体として環状構造としてデザインされている。単一の燃焼チャンバに追加して、複数の燃焼チャンバが設けられることも可能である。
【０００４】
タービンシャフトの回転動作のために、この場合はブレード群またはブレード列に慣習的に組み付けられた複数のタービンロータブレードは、このシャフト上に配列されている。この場合、タービンロータブレードがそのブレード根を利用して固定されたタービンディスクは、慣習的に各々のタービンステージに設けられている。さらに、タービンユニット内の作動媒体の流れをガイドするために、タービンケーシングに接続され、組み立てられてステータブレード列を形成したタービンステータブレードは、隣り合ったロータブレード列の間に慣習的に配置されている。
【０００５】
そのようなガスタービンのコンプレッサは、構成に関して慣習的にタービンユニットと類似して構成され、軸流コンプレッサの形態において、ステータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がステータブレードキャリアに固定された複数のコンプレッサステータブレードと、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフトに固定された複数のコンプレッサロータブレードと、を具備している。ロータブレードと、流れ媒体（この場合は空気）の流れ方向から見てロータブレードに直接的に続いたステータブレードと、はこの場合コンプレッサステージを形成している。一般に、複数のコンプレッサステージが設けられている。
【０００６】
ガスタービンの全ての回転部品全体、特にシャフトおよびロータブレードはロータとしても言及され、固定部品、特にケーシングおよびステータブレードは集合的にステータとしても言及される。
【０００７】
コンプレッサシャフトは慣習的に複数のコンプレッサディスクから組み立てられ、このディスクは軸方向から見て１つの後方に他のディスクが配置され、例えば締付けボルトを利用して一体に保持されている。タービンユニットに向かう方向において、コンプレッサシャフトはシャフト中間部品を介してタービンシャフトとして連続している。その外周において、各々のコンプレッサディスクは慣習的にロータブレード列のコンプレッサロータブレードを坦持しており、ロータブレードはブレード根を利用して例えばコンプレッサディスクの対応した固定溝内に固定されている。コンプレッサディスクは複数のロータブレード列も担持することが可能である。
【０００８】
以下の記載において各場合にキャビティとも称される環状中空スペースは、慣習的に各々の連続したコンプレッサディスクの間に設けられており、結果的にコンプレッサシャフトの重量は完全にソリッドタイプの構造と比較して減少されている。慣習的なタイプの構成における流れ媒体の流れ方向から見て、最後のコンプレッサディスクは、後続のタービンユニットに向かい且つ他の構成部品と一体となった上面または端面を備えており、例えば流れ媒体のための流路から分離された後方キャビティと称される後方中空スペースを画定しているか、または部分的に収容している。そのようなデザインは例えば特許文献１（その図２と比較）から公知である。中空スペースの複数のグループはコンプレッサシャフト内に設けられることが可能であり、例えば、第１グループの中空スペースは径方向から見てさらに外側に配置され、一方で、第２グループ、妥当な場合さらなるグループの中空スペースはさらに内側に配置される。
【０００９】
そのようなガスタービンのデザインにおいて、入手可能な動力に加えて、特別に高レベルの効率が慣習的に設計目標となっている。効率の向上はこの場合熱力学的理由のために、基本的に作動媒体が燃焼チャンバから排出される位置およびタービンユニット内に流入する位置における出口温度によって達成され得る。この場合、例えば１２００℃以上となる作動媒体の比較的高い温度が目標とされ、且つそのようなガスタービンのために達成される。
【００１０】
そのような高温または相応して高レベルの効率が達成され得るので、コンプレッサ内の空気は可能な限り強く圧縮されるべきである。ガスの流れ方向に沿ってますます増大したコンプレッサ内の圧力次第で、コンプレッサ出口温度もそれに沿って上昇する。材料または後方コンプレッサディスクの許容される最高作動温度は、工程において場合によっては到達される。
【００１１】
今のところ、入手可能な材料に関する許容される最高作動温度は、コンプレッサ出口温度に関してガスタービンの進化のために限定的な境界条件を示している。例えば高い周囲温度の場合においてこの限界が超えられる危険性が存在する場合、装置の作動モードは抑制されなければならない。結果的に、ガスタービンの潜在能力は完全に使用されることができない。
【００１２】
出願人の前提において、技術的な解決策が開発され、それは流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスク、特にその上側領域および端部領域が冷却空気の衝突を利用して冷却されることを利用している。このために、例えば基本的に冷却された冷却空気を前方タービンブレードに供給するために提供された冷却空気クーラーが使用されている。この冷却空気はいわゆるシャフトカバーを通じてロータ内に供給され、特に流れ媒体の流れ方向から見てエアコンプレッサの下流に配置されたシャフトカバーまたはケーシングに供給される。そこから、次に冷却空気はタービンブレードに到達する。この冷却空気のいくらかは、工程内で最後のコンプレッサディスクの上部領域を冷却するために、シャフトカバーから最後のコンプレッサディスクの下流のキャビティに導かれる。
【００１３】
冷却空気供給のこの形式を伴って、キャビティへの冷却空気はガスタービンの多様な構成部品を通じて比較的長い距離を移動し、特に、シャフトカバーへの供給ラインを通じて、次に高温のコンプレッサエアによる周囲流れに暴露されるシャフトカバー自身を通じて移動する欠点がある。結果的に、冷却空気の温度はキャビティに到達する前に顕著に高くなり、最後のコンプレッサディスクのための冷却能力は大きく減少される。さらに、最後のコンプレッサディスクは一側のみから冷却され、流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクのさらに上流に配置されたコンプレッサディスクは、最後のコンプレッサディスクとまったく同じ大きさであるとはいえないがある程度認め得るほどに熱負荷を受けており、場合によってはまったく冷却されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、本発明は導入部において言及されたタイプの軸流コンプレッサのさらなる改良を目的とすることに基づいており、それは後方コンプレッサディスク、特に流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの単純且つ効果的な冷却を維持する手段が達成されるようになっている。さらに、対応する作動方法が開示されている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
軸流コンプレッサに関して、この目的は本発明によって達成される。本発明では、少なくとも１つの冷却媒体供給ダクトはステータブレードおよびステータブレードに固定されたコンプレッサステータブレードを通じてコンプレッサディスクの間に形成された１つの中空スペースにおいて開口しており、冷却媒体供給ダクトは流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの上流に配置され、冷却媒体供給ダクトはコンプレッサステータブレードの先端においてそこに配置された排出開口を介してコンプレッサシャフトと面しており、中空スペースは後続のコンプレッサディスクを通じて誘導された少なくとも１つの冷却媒体移送経路を介して後方中空スペースに接続されている。
【００１６】
この場合、本発明は、後方コンプレッサディスク、特に流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの冷却効率が、上面または端面の２つのうちの少なくとも１つ、好適には上面と端面との双方に比較的低温の冷却媒体を衝突させることによって達成されることを考慮することに基づいている。この場合、中空スペース内への経路において、隣接した中空スペース内に導入される冷却媒体の過度の加熱は回避される。
【００１７】
この目的のために、本発明によれば、冷却媒体はコンプレッサディスクに隣接したまたはコンプレッサディスク付近の中空スペースに供給され、コンプレッサディスクは、径方向において中空スペースに直接的に対向して配置されたステータブレード列の少なくとも１つのコンプレッサステータブレードを介して冷却される。冷却されるこのステータブレード列と中空スペースとは軸方向から見て基本的に同じ位置に配置されているので、冷却媒体の供給は基本的に径方向において外側から内向きに実行され、ガスタービンの様々な高温の構成部品を通じて軸方向に比較的長い移送または供給経路が回避されることが可能であり、冷却媒体の望ましくない加熱が発生し得ることが回避可能である。
【００１８】
したがって、冷却媒体の導入は、２つのコンプレッサディスクの間に位置した１つの前方中空スペース内へ、例えば流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの上流に位置した中空スペース内へコンプレッサステータブレードを介して実行され、従って、通常は最後のロータブレード列の上流である。次いで、この中空スペースから、少なくとも１つの冷却媒体移送経路（これ以降略して移送経路とも称され、後続のコンプレッサディスクに続いている。）を介して、冷却媒体は最後のコンプレッサディスクの下流にある後方中空スペースに導かれ、この領域もその近傍の構成部品とともに冷却される。したがって、最後のコンプレッサディスクは両方において、すなわち上面および端面の両方において冷却される。後方中空スペースから、「使用された」冷却媒体は、ギャップリークの結果としてまたは他の方法によって圧縮される流れ媒体のための流路内へ、および／または下流の冷却媒体排出経路もしくは同様のものへと最終的に排出される。
【００１９】
個々の移送経路はこの目的のために有利に軸方向ボアのスタイルにおいて最後のコンプレッサディスク内に導かれている。冷却媒体がコンプレッサシャフトにおいてさらに前方に配置された中空スペース内にコンプレッサステータを介して導入され、および流れに関してその間に接続された複数の中空スペースを介して後方中空スペースに導かれるとき、その間に配置された全てのコンプレッサディスクを通じた対応する移送経路が便宜上設けられる。
【００２０】
例えばコンプレッサのより低温な領域においてさらに上流のコンプレッサエア流れから部分的な流れとして抜き出された冷却空気が、冷却媒体として便宜上使用される。代替的にまたは追加的に、外部冷却空気クーラーまたは同様のものを利用して冷却空気を再冷却することも提供され得る。
【００２１】
本発明の原理を実現するためには、対応したステータブレード列の単一の１つのコンプレッサステータブレードに前術のタイプの冷却媒体供給ダクトが設けられるのみでよい。しかしながら、特に効率的に且つ均一に後方コンプレッサディスクを冷却するために、周方向から見て、冷却媒体の導入のために設けられたステータブレード列の好適に複数のまたは好適に全てのコンプレッサステータブレードに、対応した冷却媒体供給ダクトが備わっている。
【００２２】
同じ理由のために、特に冷却媒体側に並列に接続された複数の移送経路は、周方向から見て対象の各々のコンプレッサディスクのために便宜上設けられている。この場合の個々の移送経路は対応したコンプレッサディスクを通じて、特に軸方向ボアのスタイルにおいて導かれることが可能である。
【００２３】
前術の改良の場合において、環状冷却媒体分配チャンバがステータブレードキャリアまたは周囲を取り囲んだケーシング部品に形成されており、環状冷却媒体分配チャンバにはコンプレッサステータブレード内に配置された冷却媒体供給ダクトのセクションが接続されている。
【００２４】
さらなる有利な改良において、冷却媒体を供給するために設けられたステータブレード列のコンプレッサステータブレードは、その先端において、一側においてこの位置では比較的高温の流れ媒体のための流路をその外側面によって画定し且つ他側においてその内側面によって中空スペースを画定した共通の環状ボディに接続されており、中空スペースは冷却され且つその内部に冷却媒体の導入が行われる。したがって、シュラウドのスタイルで構成された環状ボディは中空スペースを流路に関してシールしており、且つ空間領域を互いに熱的に離間している。
【００２５】
この場合、個々の冷却媒体供給ダクトは便宜的に管状ボディを通じて誘導されており、冷却媒体排出開口は中空スペースに面した面の内側に配置されている。
【００２６】
さらに好都合の改良において、後方中空スペースは、一側において最後のコンプレッサディスクの後端面に対向して配置され、例えば環状または中空ロータカバー（シャフトカバー）の端面によって画定されている。この場合、ロータカバーの端面も冷却媒体を利用して冷却され、冷却媒体は作動の間に移送経路を介して後方中空スペース内に移送される。
【００２７】
ガスタービン内でのエアコンプレッサとしての上述の軸流コンプレッサの使用は特に好適であり、ガスタービンのエアコンプレッサとタービンユニットとは共通のシャフトに沿って有利に配列されている。しかしながら、軸流コンプレッサを、流れ媒体がその内部で圧縮される他の装置の目的のために、独立ユニットとして作動させることも当然に考えられる。コンプレッサ出口領域の冷却を改良した前術の利点は、この場合においても効果を奏する。
【００２８】
方法に関して、導入部において言及された目的は、冷却媒体は、コンプレッサディスクの間に配置された中空スペース内に、少なくとも１つの冷却媒体供給ダクトによって導入され、冷却媒体供給ダクトはステータブレードおよびステータブレードに固定されたコンプレッサステータブレードを通じて誘導され、且つ流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの上流に配置され、冷却媒体供給ダクトから、冷却媒体は、後続のコンプレッサディスクを通じて誘導された少なくとも１つの冷却媒体移送経路を介して後方中空スペースに導入されることによって達成されている。
【００２９】
本発明に関連した利点は、特に軸流コンプレッサにおいて、空間的に隣接したステータブレード列を介して基本的に径方向において実行される冷却媒体の供給を利用して、効果的に特に熱負荷が与えられた後方コンプレッサディスクおよびそれに隣接した部品を冷却することを可能にしたことである。後方コンプレッサディスクの低い熱負荷またはコンプレッサディスクの変化しない負荷を伴ったコンプレッサ出口圧力の可能な増大は、この結果である。
【００３０】
本発明の例示的な実施形態が添付図を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ガスタービン全体の部分断面を示した図である。
【図２】最後のコンプレッサディスクのための冷却装置があらかじめ設けられた、図１のガスタービンのコンプレッサの詳細の拡大図を示している。
【図３】後方コンプレッサディスクの冷却のための、図２と比較して改良された冷却装置を備えた図１のコンプレッサの詳細を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
類似の部分にはすべての図において同じ符号が付されている。
【００３３】
図１によれば、ガスタービン１は燃焼用空気のためのコンプレッサ２、燃焼チャンバ４ならびにコンプレッサ２の駆動のためおよび図示されていない発電機または被駆動機械のためのタービンユニット６を備えている。この目的のために、タービンユニット６とコンプレッサ２とは、タービンロータとして言及される共通のタービンシャフト８を通じて配置され、このシャフトに発電機または被駆動機械も連結されており、シャフトは中心軸９の周りに回転可能に組み付けられている。燃焼チャンバ４は環状燃焼チャンバの形式で構成されており、液体燃料または気体燃料を燃焼するための複数のバーナ１０を備えている。
【００３４】
タービンユニット６は、タービンシャフト８に接続された回転可能な複数のロータブレード１２を備えている。タービンロータブレード１２はタービンシャフト８にリング様式で配列されており、したがって、複数のロータブレード列を形成している。さらに、タービンユニット６は複数の固定タービンステータブレード１４を具備し、このステータブレードもリング様式でタービンユニット６のステータブレードキャリア１６に固定されており、ステータブレード列を形成している。この場合、タービンロータブレード１２はタービンシャフト８の駆動に寄与しており、タービンユニット６を介して流れる作動媒体Ｍからのインパルス移送に帰結している。一方で、タービンステータブレード１４は、作動媒体Ｍの流れの方向から見て、各々の連続した２つのロータブレード列またはロータブレードリングの間において作動媒体Ｍの流れのガイドに寄与している。連続した一組のタービンステータ１４のリングまたはステータブレード列、およびタービンロータブレード１２のリングまたはロータブレード列は、この場合、タービンステージとも称される。
【００３５】
ガスタービン１のコンプレッサ２はタービンユニット６と同様に構成されている。コンプレッサは複数のコンプレッサロータブレード１８を具備し、それらは組み立てられてロータブレード列を形成し、それらの基部がガスタービン１のこの領域においてコンプレッサシャフトと称されるタービンシャフト８に固定されており、コンプレッサロータブレードは誘導された流れ媒体Ｓのための流路２２内に突出している。この場合、媒体は空気である。コンプレッサロータブレード１８はコンプレッサシャフト２０を介して回転するように設定されており、流れ媒体Ｓの圧縮動作を実行し且つタービンユニット８に向かう方向に移送している。一方で、固定コンプレッサステータブレード２４は組み付けられてステータブレード列を形成し、流れ媒体の流れ方向から見て各々の連続した２つのロータブレード間において流れ媒体Ｓのガイドに寄与している。コンプレッサステータブレード２４は関連したステータブレードキャリア２６に固定されており、それらは図示されていない方法によって外側コンプレッサケーシングに接続され、さらなるリングセグメントとともに流路２２の外側境界を形成している。ステータブレードキャリア２６は複数のセグメントから組み立て可能である。連続した一組のコンプレッサロータブレード１８またはロータブレード列、およびコンプレッサステータブレード２４のリングまたはステータブレード列も、この場合コンプレッサステージとして称される。
【００３６】
図２は、燃焼チャンバ４およびタービンユニット６へ向かう流れ媒体Ｓの流れ方向２８における、コンプレッサ２の出口領域または排出領域およびその後に続いた遷移領域の拡大図を示している。
【００３７】
コンプレッサ２０は複数のコンプレッサディスク３０から組み立てられており、それらは１つの後に他のディスクが積重ねられるように配列され、１つのコンプレッサディスク３０、流れ媒体Ｓの流れ方向２８から見て特に後部または最後のコンプレッサディスク３０のみが図２において見えている。個々のコンプレッサディスク３０は、その外周の関連したロータブレード列のコンプレッサロータブレード１８を坦持している。個々のコンプレッサディスク３０の外周面は、その延在している領域において、同時に流路２２の内側境界を形成している。中間領域において、コンプレッサステータブレード２４が配列されており、一方で流路２２の内側境界が環状ボディ３４の外側３２によって形成され、環状ボディは関連したステータブレード列のコンプレッサステータブレード２４の先端３６に接続されている。環状ギャップ３８は個々の（空間的に固定された）環状ボディ３４と、軸方向に隣接した（回転）コンプレッサディスク３０と、の間に配置され、例えばラビリンスシール４０を利用して、従来の方法によってシールされることが可能である。
【００３８】
図２による改良の場合において、最後のロータブレード列の下流にある最後のコンプレッサステージは、直接的に連続した２つのステータブレード列（２列配列とも称される）を具備しており、それは共通の環状ボディ３４に関連している。しかしながら、この場合においてはこの詳細は記載していない。
【００３９】
燃焼チャンバ４に向かう方向において、流路２２はコンプレッサ２内で圧縮された流れ媒体Ｓのために広くなっており、拡散器の形態となっている。流路２２の内側境界は、シャフトカバー４２と称される環状の外周面を利用してこの領域において形成されている。固定シャフトカバー４２は回転タービンシャフト８を収容しており、コンプレッサシャフト２０が延在しているために、タービンユニット６に向かって延在し、個々のシャフトセグメント４４またはディスクから組み立てられ得る。シャフトカバー４２は、ほとんど最後の（ダブル）ステータブレード列の環状ボディ３４までコンプレッサ２に向かう軸方向に延在している。コンプレッサ２に向けられた端面において、シャフトカバー４２は端面４８を備えた環状フランジ４６を有し、この端面４８は軸方向環状ギャップ５０によって環状ボディ３４から離間されている。環状フランジ４６は、この場合さらに径方向において、環状ギャップ５２によって離間されている。環状ギャップ３８に類似した環状ギャップ５０には、コンプレッサ流出口の流路２２からキャビティとしても言及される中空スペース５４内への比較的高温の流れ媒体Ｓの移動を防止するために、適切なシール手段が設けられている。中空スペースは最後のコンプレッサディスク３０、環状ボディ３４、環状フランジ４６およびタービンシャフト８の対応した領域によって画定され、または収容されている。
【００４０】
これらのシール手段にもかかわらず、中空スペース５４に隣接した部品、特に最後のコンプレッサディスク３０はガスタービン１またはコンプレッサ２の作動中にかなりの熱負荷にさらされる。この負荷を減少するために、図２によればガスタービン１内に対策がとられており、これは冷却媒体Ｋ、この場合は冷却空気を中空スペース５４内に導入するためである。冷却媒体Ｋは、この場合冷却媒体供給ライン５６を介して、例えばシャフトカバー４２内に統合された円筒輪郭の冷却媒体ダクト５８内に誘導されている。そこから、冷却媒体は１つ以上の移送通路６０を通じて環状フランジ４６内に誘導され、中空スペース５４内に流れ、最後のコンプレッサディスク３０の所望の冷却は端面６２の衝撃冷却の形式で実現する。使用された冷却媒体Ｋの排出は、例えば環状ギャップ３８、５０および５２におけるギャップからの漏れを利用して実行されている。
【００４１】
しかしながら、この冷却の概念の場合、冷却媒体供給ライン５６を通じた経路の冷却媒体（空間的な理由のために、燃焼チャンバ４を過ぎて導入される）およびシャフトカバー４２のケーシング内の冷却媒体ダクト５８を通じた経路の冷却媒体（外側においてシャフトカバー４２を過ぎて流れ且つコンプレッサ２によって比較的高温となった流れ媒体Ｓに対向して流れる）は、極度に高温となり、工程においてその冷却能力を部分的に失っていることが欠点となり得る。
【００４２】
この問題を回避するために、代替的な冷却概念が図３によるガスタービン１の場合において提供されている。コンプレッサ２およびタービンユニット６の構成は基本的に図２のものと対応しており、この点において、差異点のみが詳細に記載されている。
【００４３】
図３による変化形の場合、２つの後方コンプレッサディスク６４および６６の各々は２つのステータブレード列を坦持しているが、この場合そのことは極めて重要なことではない。ステータブレード列は、流れ媒体Ｓの流れ方向から見て、２つのロータブレード列の間且つ最後のロータブレード列の下流に配置されている。特に、ステータブレード列、特に以下により詳細に記載された冷却媒体供給ステータブレード列６８は、最後の１つ前のコンプレッサディスク６４と最後のコンプレッサディスク６６との間の軸領域に配置されている。最後の１つ前のコンプレッサディスク６４と最後のコンプレッサディスク６６との間には環状中空スペース７０が存在し、このスペースは最後の１つ前のコンプレッサディスク６４の後端面７２および最後のコンプレッサディスク６６の前端面７４によって画定されている。最後のコンプレッサディスク６６の後端面７５は、少なくとも部分的に、後方環状中空スペース７８を画定している。中空スペース７０および７８は、径方向から見てほぼ同じ位置に配置されている。
【００４４】
中空スペース７０の冷却のために、冷却媒体Ｋの供給は冷却媒体供給ステータブレード列６８の複数のコンプレッサステータ列２４を介して実行されている。この目的のために、少なくとも１つの冷却媒体供給ダクト８０が形成され、このダクトは第１セクション８２内において対応したステータブレードキャリア２６を通じて対応したコンプレッサステータブレード２４へと誘導され、第１セクション８４内においてブレード翼８６の内部の径方向において実質的に連続している。コンプレッサステータブレード２４の先端３６において、冷却媒体供給ダクト８０は、径方向に延在した端部セクション８８内においても、環状ボディ９０内において連続しており、環状ボディ９０はコンプレッサブレード２４に接続され且つ中空スペース７０に面した環状ボディ９０の内側９２の排出口９４内において終端となっている。すでに記載された図２による変化形と同様に、環状ボディ９０は流路２２に関連した中空スペース７０をシールしており、環状ボディ９０の外側９６はその延在した領域内において流路２２の内側境界を形成している。例えばラビリンスシールのような形式の適切なシャフトシールが、環状ボディ９０と、隣接したコンプレッサディスク６４および６６と、の間に形成された環状ギャップ９８内に配置されることが可能である。
【００４５】
比較的短く且つ直接的な流入経路の結果として、中空スペース７０に供給される冷却媒体Ｋはわずかにのみ加熱され、これによって比較的高い冷却能力を、特に最後の１つ前のコンプレッサディスク６４の後端面７２と最後のコンプレッサディスク６６の前端面７４とを冷却する場合に、向上させる。
【００４６】
次いで、わずかに加熱された冷却媒体Ｋは、外周に分配される態様において好適に配列された１つ以上の冷却媒体移送経路１００を介して中空スペース７０から最後のコンプレッサディスク６６の下流の後方中空スペース７８へと誘導される。この目的のために、個々の冷却媒体移送経路１００は軸方向ボアのスタイルで最後のコンプレッサディスク６６内に誘導されている。個々の軸方向ボアは、最後のコンプレッサディスク６６の前端面７４内に配列された移送経路１００の流入開口１０２を、後端面７６内に配列された排出開口１０４に接続している。後方中空スペース７８内に排出されるとき、冷却媒体Ｋは、後方中空スペース７８に隣接した部品、特に最後のコンプレッサディスク６６の後端面７６を冷却するのに十分な程度に冷たい。
【００４７】
特に有利な変化形において、周方向においてほぼ均一な、環状にデザインされた中空スペース７０への冷却媒体の供給は、対応したステータブレード６８の複数のコンプレッサステータブレード２４を介して実行されており、例えば、周方向から見てこのステータブレード列６８のコンプレッサステータブレード２４毎に、他のコンプレッサステータブレードまたは３番目のコンプレッサステータブレード毎に、冷却媒体供給ダクト８０の対応したセクションおよび冷却媒体Ｋのための対応した排出開口９４が設けられることが可能である。したがって、これらのダクトセクションは冷却媒体側を並列に接続しており、且つ周方向に延在した冷却媒体分配チャンバ１０６を介して新しい冷却媒体Ｋが同時に供給されている。例えば、冷却媒体分配チャンバ１０６は図３において概略的にのみ示されており、ステータブレードキャリア２６にまたはケーシング部品に隣接して配列されている。
【００４８】
図３に示されたいくつかの詳細は実施例の目的のみの特性を備えている。ここで選択された図から逸脱して、例えば冷却媒体供給ダクト８０の端部セクション８８の向きおよび排出開口９４の位置は変化することが可能である。また、冷却媒体の供給は、ステータブレード列６８の上流に位置した関連したステータブレード列を介して、流れ媒体Ｓの方向から見て中空スペース７０の上流に位置した中空スペース、例えば中空スペース１０８内に代替的もしくは追加的に実行されることが可能である。この変化形の場合、前側中空スペース１０８は冷却媒体Ｋの流入に晒されており、言い換えると、追加的な冷却媒体移送経路を介して間接的に接続されており（図３において図示略）、すなわち、さらに後方に位置した中空スペースを介して、もしくは後側中空スペース７８に直接的に接続されている。
【００４９】
さらに、図２による冷却概念と図３による冷却概念との２つを互いに結合することが考えられる。
【符号の説明】
【００５０】
１ ・・・ガスタービン、 ２ ・・・コンプレッサ、 ４ ・・・燃焼チャンバ、 ６ ・・・タービンユニット、 ８ ・・・タービンシャフト、 ９ ・・・中心軸、 １０ ・・・バーナ、 １２ ・・・ロータブレード、 １４ ・・・ステータブレード、 １８ ・・・コンプレッサロータブレード、 ２０ ・・・コンプレッサシャフト、 ２２ ・・・流路、 ２４ ・・・コンプレッサステータブレード、 ３０，６４，６６ ・・・コンプレッサディスク、 ３４，９０ ・・・環状ボディ、 ４２ ・・・シャフトカバー、 ４６ ・・・環状フランジ、 ５０ ・・・軸方向環状ギャップ、 ５４ ・・・中空スペース、 ５６ ・・・冷却媒体供給ライン、 ５８ ・・・冷却媒体ダクト、 ７０ ・・・環状中空スペース、 ７８ ・・・後方環状中空スペース、 ８０ ・・・冷却媒体供給ダクト ８６ ・・・ブレード翼、 １００ ・・・冷却媒体移送経路、 １０２ ・・・流入開口、 １０４ ・・・排出開口、 １０６ ・・・冷却媒体分配チャンバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は流れ媒体を圧縮するための、特にガスタービンのための軸流コンプレッサに関し、そのコンプレッサはステータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がステータブレードキャリアに固定された複数のコンプレッサステータブレードと、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフトのコンプレッサディスクに固定された複数のコンプレッサロータブレードと、を備え、各々２つの連続したコンプレッサディスクはそれらの間に形成された中空スペースを収容し、最後のコンプレッサディスクは、流れ媒体の流れ方向から見て後方中空スペースを画定している。本発明はそのような軸流コンプレッサを作動するための方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは発電機または被駆動機械の駆動のために多くの分野において使用されている。この場合、燃料のエネルギ含量はタービンシャフトの回転動作を生み出すために使用されている。この目的のために、燃料は燃焼チャンバ内で燃焼され、圧縮空気がエアコンプレッサから供給される。この場合のエアコンプレッサは慣習的に軸流コンプレッサとして構成されている。燃料の燃焼の結果として燃焼チャンバ内に生成された高圧且つ高温の作動媒体は、この場合タービンユニットを通じて導かれる。タービンユニットには下流において燃焼チャンバが接続されており、そこで作動媒体は膨張して作動する。エアコンプレッサ、略してコンプレッサとタービンユニットとは慣習的に共通のシャフトに配置され、タービンユニットは作動の際にコンプレッサを駆動する。
【０００３】
ガスタービンの燃焼チャンバは、いわゆる環状燃焼チャンバとして構成され、その中にはタービンシャフトの周囲に周方向に配列された多数のバーナが、高耐熱周壁によって収容された共通の燃焼空間において開口している。この目的のために、燃焼チャンバは全体として環状構造としてデザインされている。単一の燃焼チャンバに追加して、複数の燃焼チャンバが設けられることも可能である。
【０００４】
タービンシャフトの回転動作のために、この場合はブレード群またはブレード列に慣習的に組み付けられた複数のタービンロータブレードは、このシャフト上に配列されている。この場合、タービンロータブレードがそのブレード根を利用して固定されたタービンディスクは、慣習的に各々のタービンステージに設けられている。さらに、タービンユニット内の作動媒体の流れをガイドするために、タービンケーシングに接続され、組み立てられてステータブレード列を形成したタービンステータブレードは、隣り合ったロータブレード列の間に慣習的に配置されている。
【０００５】
そのようなガスタービンのコンプレッサは、構成に関して慣習的にタービンユニットと類似して構成され、軸流コンプレッサの形態において、ステータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がステータブレードキャリアに固定された複数のコンプレッサステータブレードと、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフトに固定された複数のコンプレッサロータブレードと、を具備している。ロータブレードと、流れ媒体（この場合は空気）の流れ方向から見てロータブレードに直接的に続いたステータブレードと、はこの場合コンプレッサステージを形成している。一般に、複数のコンプレッサステージが設けられている。
【０００６】
ガスタービンの全ての回転部品全体、特にシャフトおよびロータブレードはロータとしても言及され、固定部品、特にケーシングおよびステータブレードは集合的にステータとしても言及される。
【０００７】
コンプレッサシャフトは慣習的に複数のコンプレッサディスクから組み立てられ、このディスクは軸方向から見て１つの後方に他のディスクが配置され、例えば締付けボルトを利用して一体に保持されている。タービンユニットに向かう方向において、コンプレッサシャフトはシャフト中間部品を介してタービンシャフトとして連続している。その外周において、各々のコンプレッサディスクは慣習的にロータブレード列のコンプレッサロータブレードを坦持しており、ロータブレードはブレード根を利用して例えばコンプレッサディスクの対応した固定溝内に固定されている。コンプレッサディスクは複数のロータブレード列も担持することが可能である。
【０００８】
以下の記載において各場合にキャビティとも称される環状中空スペースは、慣習的に各々の連続したコンプレッサディスクの間に設けられており、結果的にコンプレッサシャフトの重量は完全にソリッドタイプの構造と比較して減少されている。慣習的なタイプの構成における流れ媒体の流れ方向から見て、最後のコンプレッサディスクは、後続のタービンユニットに向かい且つ他の構成部品と一体となった上面または端面を備えており、例えば流れ媒体のための流路から分離された後方キャビティと称される後方中空スペースを画定しているか、または部分的に収容している。そのようなデザインは例えば特許文献１（その図２と比較）から公知である。中空スペースの複数のグループはコンプレッサシャフト内に設けられることが可能であり、例えば、第１グループの中空スペースは径方向から見てさらに外側に配置され、一方で、第２グループ、妥当な場合さらなるグループの中空スペースはさらに内側に配置される。
【０００９】
そのようなガスタービンのデザインにおいて、入手可能な動力に加えて、特別に高レベルの効率が慣習的に設計目標となっている。効率の向上はこの場合熱力学的理由のために、基本的に作動媒体が燃焼チャンバから排出される位置およびタービンユニット内に流入する位置における出口温度によって達成され得る。この場合、例えば１２００℃以上となる作動媒体の比較的高い温度が目標とされ、且つそのようなガスタービンのために達成される。
【００１０】
そのような高温または相応して高レベルの効率が達成され得るので、コンプレッサ内の空気は可能な限り強く圧縮されるべきである。ガスの流れ方向に沿ってますます増大したコンプレッサ内の圧力次第で、コンプレッサ出口温度もそれに沿って上昇する。材料または後方コンプレッサディスクの許容される最高作動温度は、工程において場合によっては到達される。
【００１１】
今のところ、入手可能な材料に関する許容される最高作動温度は、コンプレッサ出口温度に関してガスタービンの進化のために限定的な境界条件を示している。例えば高い周囲温度の場合においてこの限界が超えられる危険性が存在する場合、装置の作動モードは抑制されなければならない。結果的に、ガスタービンの潜在能力は完全に使用されることができない。
【００１２】
出願人の前提において、技術的な解決策が開発され、それは流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスク、特にその上側領域および端部領域が冷却空気の衝突を利用して冷却されることを利用している。このために、例えば基本的に冷却された冷却空気を前方タービンブレードに供給するために提供された冷却空気クーラーが使用されている。この冷却空気はいわゆるシャフトカバーを通じてロータ内に供給され、特に流れ媒体の流れ方向から見てエアコンプレッサの下流に配置されたシャフトカバーまたはケーシングに供給される。そこから、次に冷却空気はタービンブレードに到達する。この冷却空気のいくらかは、工程内で最後のコンプレッサディスクの上部領域を冷却するために、シャフトカバーから最後のコンプレッサディスクの下流のキャビティに導かれる。
【００１３】
冷却空気供給のこの形式を伴って、キャビティへの冷却空気はガスタービンの多様な構成部品を通じて比較的長い距離を移動し、特に、シャフトカバーへの供給ラインを通じて、次に高温のコンプレッサエアによる周囲流れに暴露されるシャフトカバー自身を通じて移動する欠点がある。結果的に、冷却空気の温度はキャビティに到達する前に顕著に高くなり、最後のコンプレッサディスクのための冷却能力は大きく減少される。さらに、最後のコンプレッサディスクは一側のみから冷却され、流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクのさらに上流に配置されたコンプレッサディスクは、最後のコンプレッサディスクとまったく同じ大きさであるとはいえないがある程度認め得るほどに熱負荷を受けており、場合によってはまったく冷却されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、本発明は導入部において言及されたタイプの軸流コンプレッサのさらなる改良を目的とすることに基づいており、それは後方コンプレッサディスク、特に流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの単純且つ効果的な冷却を維持する手段が達成されるようになっている。さらに、対応する作動方法が開示されている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
軸流コンプレッサに関して、この目的は本発明によって達成される。本発明では、少なくとも１つの冷却媒体供給ダクトはステータブレードおよびステータブレードに固定されたコンプレッサステータブレードを通じてコンプレッサディスクの間に形成された１つの中空スペースにおいて開口しており、冷却媒体供給ダクトは流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの上流に配置され、冷却媒体供給ダクトはコンプレッサステータブレードの先端においてそこに配置された排出開口を介してコンプレッサシャフトと面しており、中空スペースは後続のコンプレッサディスクを通じて誘導された少なくとも１つの冷却媒体移送経路を介して後方中空スペースに接続されている。
【００１６】
この場合、本発明は、後方コンプレッサディスク、特に流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの冷却効率が、上面または端面の２つのうちの少なくとも１つ、好適には上面と端面との双方に比較的低温の冷却媒体を衝突させることによって達成されることを考慮することに基づいている。この場合、中空スペース内への経路において、隣接した中空スペース内に導入される冷却媒体の過度の加熱は回避される。
【００１７】
この目的のために、本発明によれば、冷却媒体はコンプレッサディスクに隣接したまたはコンプレッサディスク付近の中空スペースに供給され、コンプレッサディスクは、径方向において中空スペースに直接的に対向して配置されたステータブレード列の少なくとも１つのコンプレッサステータブレードを介して冷却される。冷却されるこのステータブレード列と中空スペースとは軸方向から見て基本的に同じ位置に配置されているので、冷却媒体の供給は基本的に径方向において外側から内向きに実行され、ガスタービンの様々な高温の構成部品を通じて軸方向に比較的長い移送または供給経路が回避されることが可能であり、冷却媒体の望ましくない加熱が発生し得ることが回避可能である。
【００１８】
したがって、冷却媒体の導入は、２つのコンプレッサディスクの間に位置した１つの前方中空スペース内へ、例えば流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの上流に位置した中空スペース内へコンプレッサステータブレードを介して実行され、従って、通常は最後のロータブレード列の上流である。次いで、この中空スペースから、少なくとも１つの冷却媒体移送経路（これ以降略して移送経路とも称され、後続のコンプレッサディスクに続いている。）を介して、冷却媒体は最後のコンプレッサディスクの下流にある後方中空スペースに導かれ、この領域もその近傍の構成部品とともに冷却される。したがって、最後のコンプレッサディスクは両方において、すなわち上面および端面の両方において冷却される。後方中空スペースから、「使用された」冷却媒体は、ギャップリークの結果としてまたは他の方法によって圧縮される流れ媒体のための流路内へ、および／または下流の冷却媒体排出経路もしくは同様のものへと最終的に排出される。
【００１９】
個々の移送経路はこの目的のために有利に軸方向ボアのスタイルにおいて最後のコンプレッサディスク内に導かれている。冷却媒体がコンプレッサシャフトにおいてさらに前方に配置された中空スペース内にコンプレッサステータを介して導入され、および流れに関してその間に接続された複数の中空スペースを介して後方中空スペースに導かれるとき、その間に配置された全てのコンプレッサディスクを通じた対応する移送経路が便宜上設けられる。
【００２０】
例えばコンプレッサのより低温な領域においてさらに上流のコンプレッサエア流れから部分的な流れとして抜き出された冷却空気が、冷却媒体として便宜上使用される。代替的にまたは追加的に、外部冷却空気クーラーまたは同様のものを利用して冷却空気を再冷却することも提供され得る。
【００２１】
本発明の原理を実現するためには、対応したステータブレード列の単一の１つのコンプレッサステータブレードに前術のタイプの冷却媒体供給ダクトが設けられるのみでよい。しかしながら、特に効率的に且つ均一に後方コンプレッサディスクを冷却するために、周方向から見て、冷却媒体の導入のために設けられたステータブレード列の好適に複数のまたは好適に全てのコンプレッサステータブレードに、対応した冷却媒体供給ダクトが備わっている。
【００２２】
同じ理由のために、特に冷却媒体側に並列に接続された複数の移送経路は、周方向から見て対象の各々のコンプレッサディスクのために便宜上設けられている。この場合の個々の移送経路は対応したコンプレッサディスクを通じて、特に軸方向ボアのスタイルにおいて導かれることが可能である。
【００２３】
前術の改良の場合において、環状冷却媒体分配チャンバがステータブレードキャリアまたは周囲を取り囲んだケーシング部品に形成されており、環状冷却媒体分配チャンバにはコンプレッサステータブレード内に配置された冷却媒体供給ダクトのセクションが接続されている。
【００２４】
さらなる有利な改良において、冷却媒体を供給するために設けられたステータブレード列のコンプレッサステータブレードは、その先端において、一側においてこの位置では比較的高温の流れ媒体のための流路をその外側面によって画定し且つ他側においてその内側面によって中空スペースを画定した共通の環状ボディに接続されており、中空スペースは冷却され且つその内部に冷却媒体の導入が行われる。したがって、シュラウドのスタイルで構成された環状ボディは中空スペースを流路に関してシールしており、且つ空間領域を互いに熱的に離間している。
【００２５】
この場合、個々の冷却媒体供給ダクトは便宜的に管状ボディを通じて誘導されており、冷却媒体排出開口は中空スペースに面した面の内側に配置されている。
【００２６】
さらに好都合の改良において、後方中空スペースは、一側において最後のコンプレッサディスクの後端面に対向して配置され、例えば環状または中空ロータカバー（シャフトカバー）の端面によって画定されている。この場合、ロータカバーの端面も冷却媒体を利用して冷却され、冷却媒体は作動の間に移送経路を介して後方中空スペース内に移送される。
【００２７】
ガスタービン内でのエアコンプレッサとしての上述の軸流コンプレッサの使用は特に好適であり、ガスタービンのエアコンプレッサとタービンユニットとは共通のシャフトに沿って有利に配列されている。しかしながら、軸流コンプレッサを、流れ媒体がその内部で圧縮される他の装置の目的のために、独立ユニットとして作動させることも当然に考えられる。コンプレッサ出口領域の冷却を改良した前術の利点は、この場合においても効果を奏する。
【００２８】
方法に関して、導入部において言及された目的は、冷却媒体は、コンプレッサディスクの間に配置された中空スペース内に、少なくとも１つの冷却媒体供給ダクトによって導入され、冷却媒体供給ダクトはステータブレードおよびステータブレードに固定されたコンプレッサステータブレードを通じて誘導され、且つ流れ媒体の流れ方向から見て最後のコンプレッサディスクの上流に配置され、冷却媒体供給ダクトから、冷却媒体は、後続のコンプレッサディスクを通じて誘導された少なくとも１つの冷却媒体移送経路を介して後方中空スペースに導入されることによって達成されている。
【００２９】
本発明に関連した利点は、特に軸流コンプレッサにおいて、空間的に隣接したステータブレード列を介して基本的に径方向において実行される冷却媒体の供給を利用して、効果的に特に熱負荷が与えられた後方コンプレッサディスクおよびそれに隣接した部品を冷却することを可能にしたことである。後方コンプレッサディスクの低い熱負荷またはコンプレッサディスクの変化しない負荷を伴ったコンプレッサ出口圧力の可能な増大は、この結果である。
【００３０】
本発明の例示的な実施形態が添付図を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ガスタービン全体の部分断面を示した図である。
【図２】最後のコンプレッサディスクのための冷却装置があらかじめ設けられた、図１のガスタービンのコンプレッサの詳細の拡大図を示している。
【図３】後方コンプレッサディスクの冷却のための、図２と比較して改良された冷却装置を備えた図１のコンプレッサの詳細を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
類似の部分にはすべての図において同じ符号が付されている。
【００３３】
図１によれば、ガスタービン１は燃焼用空気のためのコンプレッサ２、燃焼チャンバ４ならびにコンプレッサ２の駆動のためおよび図示されていない発電機または被駆動機械のためのタービンユニット６を備えている。この目的のために、タービンユニット６とコンプレッサ２とは、タービンロータとして言及される共通のタービンシャフト８を通じて配置され、このシャフトに発電機または被駆動機械も連結されており、シャフトは中心軸９の周りに回転可能に組み付けられている。燃焼チャンバ４は環状燃焼チャンバの形式で構成されており、液体燃料または気体燃料を燃焼するための複数のバーナ１０を備えている。
【００３４】
タービンユニット６は、タービンシャフト８に接続された回転可能な複数のロータブレード１２を備えている。タービンロータブレード１２はタービンシャフト８にリング様式で配列されており、したがって、複数のロータブレード列を形成している。さらに、タービンユニット６は複数の固定タービンステータブレード１４を具備し、このステータブレードもリング様式でタービンユニット６のステータブレードキャリア１６に固定されており、ステータブレード列を形成している。この場合、タービンロータブレード１２はタービンシャフト８の駆動に寄与しており、タービンユニット６を介して流れる作動媒体Ｍからのインパルス移送に帰結している。一方で、タービンステータブレード１４は、作動媒体Ｍの流れの方向から見て、各々の連続した２つのロータブレード列またはロータブレードリングの間において作動媒体Ｍの流れのガイドに寄与している。連続した一組のタービンステータ１４のリングまたはステータブレード列、およびタービンロータブレード１２のリングまたはロータブレード列は、この場合、タービンステージとも称される。
【００３５】
ガスタービン１のコンプレッサ２はタービンユニット６と同様に構成されている。コンプレッサは複数のコンプレッサロータブレード１８を具備し、それらは組み立てられてロータブレード列を形成し、それらの基部がガスタービン１のこの領域においてコンプレッサシャフトと称されるタービンシャフト８に固定されており、コンプレッサロータブレードは誘導された流れ媒体Ｓのための流路２２内に突出している。この場合、媒体は空気である。コンプレッサロータブレード１８はコンプレッサシャフト２０を介して回転するように設定されており、流れ媒体Ｓの圧縮動作を実行し且つタービンユニット８に向かう方向に移送している。一方で、固定コンプレッサステータブレード２４は組み付けられてステータブレード列を形成し、流れ媒体の流れ方向から見て各々の連続した２つのロータブレード間において流れ媒体Ｓのガイドに寄与している。コンプレッサステータブレード２４は関連したステータブレードキャリア２６に固定されており、それらは図示されていない方法によって外側コンプレッサケーシングに接続され、さらなるリングセグメントとともに流路２２の外側境界を形成している。ステータブレードキャリア２６は複数のセグメントから組み立て可能である。連続した一組のコンプレッサロータブレード１８またはロータブレード列、およびコンプレッサステータブレード２４のリングまたはステータブレード列も、この場合コンプレッサステージとして称される。
【００３６】
図２は、燃焼チャンバ４およびタービンユニット６へ向かう流れ媒体Ｓの流れ方向２８における、コンプレッサ２の出口領域または排出領域およびその後に続いた遷移領域の拡大図を示している。
【００３７】
コンプレッサ２０は複数のコンプレッサディスク３０から組み立てられており、それらは１つの後に他のディスクが積重ねられるように配列され、１つのコンプレッサディスク３０、流れ媒体Ｓの流れ方向２８から見て特に後部または最後のコンプレッサディスク３０のみが図２において見えている。個々のコンプレッサディスク３０は、その外周の関連したロータブレード列のコンプレッサロータブレード１８を坦持している。個々のコンプレッサディスク３０の外周面は、その延在している領域において、同時に流路２２の内側境界を形成している。中間領域において、コンプレッサステータブレード２４が配列されており、一方で流路２２の内側境界が環状ボディ３４の外側３２によって形成され、環状ボディは関連したステータブレード列のコンプレッサステータブレード２４の先端３６に接続されている。環状ギャップ３８は個々の（空間的に固定された）環状ボディ３４と、軸方向に隣接した（回転）コンプレッサディスク３０と、の間に配置され、例えばラビリンスシール４０を利用して、従来の方法によってシールされることが可能である。
【００３８】
図２による改良の場合において、最後のロータブレード列の下流にある最後のコンプレッサステージは、直接的に連続した２つのステータブレード列（２列配列とも称される）を具備しており、それは共通の環状ボディ３４に関連している。しかしながら、この場合においてはこの詳細は記載していない。
【００３９】
燃焼チャンバ４に向かう方向において、流路２２はコンプレッサ２内で圧縮された流れ媒体Ｓのために広くなっており、拡散器の形態となっている。流路２２の内側境界は、シャフトカバー４２と称される環状の外周面を利用してこの領域において形成されている。固定シャフトカバー４２は回転タービンシャフト８を収容しており、コンプレッサシャフト２０が延在しているために、タービンユニット６に向かって延在し、個々のシャフトセグメント４４またはディスクから組み立てられ得る。シャフトカバー４２は、ほとんど最後の（ダブル）ステータブレード列の環状ボディ３４までコンプレッサ２に向かう軸方向に延在している。コンプレッサ２に向けられた端面において、シャフトカバー４２は端面４８を備えた環状フランジ４６を有し、この端面４８は軸方向環状ギャップ５０によって環状ボディ３４から離間されている。環状フランジ４６は、この場合さらに径方向において、環状ギャップ５２によって離間されている。環状ギャップ３８に類似した環状ギャップ５０には、コンプレッサ流出口の流路２２からキャビティとしても言及される中空スペース５４内への比較的高温の流れ媒体Ｓの移動を防止するために、適切なシール手段が設けられている。中空スペースは最後のコンプレッサディスク３０、環状ボディ３４、環状フランジ４６およびタービンシャフト８の対応した領域によって画定され、または収容されている。
【００４０】
これらのシール手段にもかかわらず、中空スペース５４に隣接した部品、特に最後のコンプレッサディスク３０はガスタービン１またはコンプレッサ２の作動中にかなりの熱負荷にさらされる。この負荷を減少するために、図２によればガスタービン１内に対策がとられており、これは冷却媒体Ｋ、この場合は冷却空気を中空スペース５４内に導入するためである。冷却媒体Ｋは、この場合冷却媒体供給ライン５６を介して、例えばシャフトカバー４２内に統合された円筒輪郭の冷却媒体ダクト５８内に誘導されている。そこから、冷却媒体は１つ以上の移送通路６０を通じて環状フランジ４６内に誘導され、中空スペース５４内に流れ、最後のコンプレッサディスク３０の所望の冷却は端面６２の衝撃冷却の形式で実現する。使用された冷却媒体Ｋの排出は、例えば環状ギャップ３８、５０および５２におけるギャップからの漏れを利用して実行されている。
【００４１】
しかしながら、この冷却の概念の場合、冷却媒体供給ライン５６を通じた経路の冷却媒体（空間的な理由のために、燃焼チャンバ４を過ぎて導入される）およびシャフトカバー４２のケーシング内の冷却媒体ダクト５８を通じた経路の冷却媒体（外側においてシャフトカバー４２を過ぎて流れ且つコンプレッサ２によって比較的高温となった流れ媒体Ｓに対向して流れる）は、極度に高温となり、工程においてその冷却能力を部分的に失っていることが欠点となり得る。
【００４２】
この問題を回避するために、代替的な冷却概念が図３によるガスタービン１の場合において提供されている。コンプレッサ２およびタービンユニット６の構成は基本的に図２のものと対応しており、この点において、差異点のみが詳細に記載されている。
【００４３】
図３による変化形の場合、２つの後方コンプレッサディスク６４および６６の各々は２つのステータブレード列を坦持しているが、この場合そのことは極めて重要なことではない。ステータブレード列は、流れ媒体Ｓの流れ方向から見て、２つのロータブレード列の間且つ最後のロータブレード列の下流に配置されている。特に、ステータブレード列、特に以下により詳細に記載された冷却媒体供給ステータブレード列６８は、最後の１つ前のコンプレッサディスク６４と最後のコンプレッサディスク６６との間の軸領域に配置されている。最後の１つ前のコンプレッサディスク６４と最後のコンプレッサディスク６６との間には環状中空スペース７０が存在し、このスペースは最後の１つ前のコンプレッサディスク６４の後端面７２および最後のコンプレッサディスク６６の前端面７４によって画定されている。最後のコンプレッサディスク６６の後端面７５は、少なくとも部分的に、後方環状中空スペース７８を画定している。中空スペース７０および７８は、径方向から見てほぼ同じ位置に配置されている。
【００４４】
中空スペース７０の冷却のために、冷却媒体Ｋの供給は冷却媒体供給ステータブレード列６８の複数のコンプレッサステータ列２４を介して実行されている。この目的のために、少なくとも１つの冷却媒体供給ダクト８０が形成され、このダクトは第１セクション８２内において対応したステータブレードキャリア２６を通じて対応したコンプレッサステータブレード２４へと誘導され、第１セクション８４内においてブレード翼８６の内部の径方向において実質的に連続している。コンプレッサステータブレード２４の先端３６において、冷却媒体供給ダクト８０は、径方向に延在した端部セクション８８内においても、環状ボディ９０内において連続しており、環状ボディ９０はコンプレッサブレード２４に接続され且つ中空スペース７０に面した環状ボディ９０の内側９２の排出口９４内において終端となっている。すでに記載された図２による変化形と同様に、環状ボディ９０は流路２２に関連した中空スペース７０をシールしており、環状ボディ９０の外側９６はその延在した領域内において流路２２の内側境界を形成している。例えばラビリンスシールのような形式の適切なシャフトシールが、環状ボディ９０と、隣接したコンプレッサディスク６４および６６と、の間に形成された環状ギャップ９８内に配置されることが可能である。
【００４５】
比較的短く且つ直接的な流入経路の結果として、中空スペース７０に供給される冷却媒体Ｋはわずかにのみ加熱され、これによって比較的高い冷却能力を、特に最後の１つ前のコンプレッサディスク６４の後端面７２と最後のコンプレッサディスク６６の前端面７４とを冷却する場合に、向上させる。
【００４６】
次いで、わずかに加熱された冷却媒体Ｋは、外周に分配される態様において好適に配列された１つ以上の冷却媒体移送経路１００を介して中空スペース７０から最後のコンプレッサディスク６６の下流の後方中空スペース７８へと誘導される。この目的のために、個々の冷却媒体移送経路１００は軸方向ボアのスタイルで最後のコンプレッサディスク６６内に誘導されている。個々の軸方向ボアは、最後のコンプレッサディスク６６の前端面７４内に配列された移送経路１００の流入開口１０２を、後端面７６内に配列された排出開口１０４に接続している。後方中空スペース７８内に排出されるとき、冷却媒体Ｋは、後方中空スペース７８に隣接した部品、特に最後のコンプレッサディスク６６の後端面７６を冷却するのに十分な程度に冷たい。
【００４７】
特に有利な変化形において、周方向においてほぼ均一な、環状にデザインされた中空スペース７０への冷却媒体の供給は、対応したステータブレード６８の複数のコンプレッサステータブレード２４を介して実行されており、例えば、周方向から見てこのステータブレード列６８のコンプレッサステータブレード２４毎に、他のコンプレッサステータブレードまたは３番目のコンプレッサステータブレード毎に、冷却媒体供給ダクト８０の対応したセクションおよび冷却媒体Ｋのための対応した排出開口９４が設けられることが可能である。したがって、これらのダクトセクションは冷却媒体側を並列に接続しており、且つ周方向に延在した冷却媒体分配チャンバ１０６を介して新しい冷却媒体Ｋが同時に供給されている。例えば、冷却媒体分配チャンバ１０６は図３において概略的にのみ示されており、ステータブレードキャリア２６にまたはケーシング部品に隣接して配列されている。
【００４８】
図３に示されたいくつかの詳細は実施例の目的のみの特性を備えている。ここで選択された図から逸脱して、例えば冷却媒体供給ダクト８０の端部セクション８８の向きおよび排出開口９４の位置は変化することが可能である。また、冷却媒体の供給は、ステータブレード列６８の上流に位置した関連したステータブレード列を介して、流れ媒体Ｓの方向から見て中空スペース７０の上流に位置した中空スペース、例えば中空スペース１０８内に代替的もしくは追加的に実行されることが可能である。この変化形の場合、前側中空スペース１０８は冷却媒体Ｋの流入に晒されており、言い換えると、追加的な冷却媒体移送経路を介して間接的に接続されており（図３において図示略）、すなわち、さらに後方に位置した中空スペースを介して、もしくは後側中空スペース７８に直接的に接続されている。
【００４９】
さらに、図２による冷却概念と図３による冷却概念との２つを互いに結合することが考えられる。
【符号の説明】
【００５０】
１ ・・・ガスタービン、 ２ ・・・コンプレッサ、 ４ ・・・燃焼チャンバ、 ６ ・・・タービンユニット、 ８ ・・・タービンシャフト、 ９ ・・・中心軸、 １０ ・・・バーナ、 １２ ・・・ロータブレード、 １４ ・・・ステータブレード、 １８ ・・・コンプレッサロータブレード、 ２０ ・・・コンプレッサシャフト、 ２２ ・・・流路、 ２４ ・・・コンプレッサステータブレード、 ３０，６４，６６ ・・・コンプレッサディスク、 ３４，９０ ・・・環状ボディ、 ４２ ・・・シャフトカバー、 ４６ ・・・環状フランジ、 ５０ ・・・軸方向環状ギャップ、 ５４ ・・・中空スペース、 ５６ ・・・冷却媒体供給ライン、 ５８ ・・・冷却媒体ダクト、 ７０ ・・・環状中空スペース、 ７８ ・・・後方環状中空スペース、 ８０ ・・・冷却媒体供給ダクト ８６ ・・・ブレード翼、 １００ ・・・冷却媒体移送経路、 １０２ ・・・流入開口、 １０４ ・・・排出開口、 １０６ ・・・冷却媒体分配チャンバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れ媒体（Ｓ）を圧縮するための、特にガスタービン（１）のための軸流コンプレッサ（２）であって、該コンプレッサは、ステータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がステータブレードキャリア（２６）に固定された複数のコンプレッサステータブレード（２４）と、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフト（２０）のコンプレッサディスク（６４，６６）に固定された複数のコンプレッサロータブレード（１８）と、を備え、
各々２つの連続した前記コンプレッサディスク（６４，６６）はそれらの間に形成された中空スペース（７０）を収容し、
最後の前記コンプレッサディスク（６６）は、前記流れ媒体（Ｓ）の流れ方向から見て後方中空スペース（７８）を画定した軸流コンプレッサにおいて、
少なくとも１つの冷却媒体供給ダクト（８０）は前記ステータブレード（２６）および前記ステータブレード（２６）に固定された前記コンプレッサステータブレード（２４）を通じて前記コンプレッサディスク（６４，６６）の間に形成された１つの前記中空スペース（７０）において開口しており、前記冷却媒体供給ダクト（８０）は前記流れ媒体（Ｓ）の流れ方向から見て最後の前記コンプレッサディスク（６６）の上流に配置され、前記冷却媒体供給ダクトは前記コンプレッサステータブレード（２４）の先端においてそこに配置された排出開口（９４）を介して前記コンプレッサシャフト（２０）と面しており、
前記中空スペース（７０）は後続の前記コンプレッサディスク（６６）を通じて誘導された少なくとも１つの冷却媒体移送経路（１００）を介して前記後方中空スペース（７８）に接続されていることを特徴とする軸流コンプレッサ（２）。
【請求項２】
最後の前記コンプレッサディスク（６６）の上流に配置されたステータブレード列の複数の前記コンプレッサステータブレード（２４）には、周方向から見て、対応した冷却媒体供給ダクト（８０）が備わっていることを特徴とする請求項１に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項３】
環状冷却媒体分配チャンバ（１０６）が前記ステータブレードキャリア（２６）または周囲を取り囲んだケーシング部品に形成されており、前記環状冷却媒体分配チャンバには前記コンプレッサステータブレード（２４）内に配置された前記冷却媒体供給ダクト（８０）のセクションが接続されていることを特徴とする請求項２に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項４】
冷却媒体を供給するために設けられた前記ステータブレード列（６８）のコンプレッサステータブレード（２４）は、その先端（３６）において、一側において前記流れ媒体（Ｓ）のための流路（２２）を画定し且つ他側において前記中空スペース（７０）を前記流路（２２）に関してシールした環状ボディ（９０）に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項５】
個々の前記冷却媒体供給ダクト（８０）は前記管状ボディを通じて誘導されていることを特徴とする請求項４に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項６】
個々の前記冷却媒体供給ダクト（８０）は、前記後方中空スペース（７８）に直接先行した前記中空スペース（７０）において開口していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項７】
前記後方中空スペース（７８）は、一側において最後の前記コンプレッサディスク（６６）の後端面（７６）に対向して配置され、環状ロータカバーの端面によって画定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の軸流コンプレッサを備えたガスタービン（１）。
【請求項９】
軸流コンプレッサ（２）を作動するための方法であって、該軸流コンプレッサは各々がステータブレードキャリア（２６）に固定された複数のコンプレッサステータブレード（２４）と、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフト（２０）のコンプレッサディスク（６４，６６）に固定された複数のコンプレッサロータブレード（１８）と、を備え、
各々２つの連続した前記コンプレッサディスク（６４，６６）はそれらの間に形成された中空スペース（７０）を収容し、
最後の前記コンプレッサディスク（６６）は、前記流れ媒体（Ｓ）の流れ方向から見て後方中空スペース（７８）を画定した軸流コンプレッサを作動するための方法において、
冷却媒体（Ｋ）は、前記コンプレッサディスク（６４，６６）の間に配置された前記中空スペース（７０）内に、少なくとも１つの冷却媒体供給ダクト（８０）によって導入され、前記冷却媒体供給ダクトは前記ステータブレード（２６）および前記ステータブレード（２６）に固定された前記コンプレッサステータブレード（２４）を通じて誘導され、且つ前記流れ媒体（Ｓ）の流れ方向から見て最後の前記コンプレッサディスク（６６）の上流に配置され、前記冷却媒体供給ダクトから、前記冷却媒体（Ｋ）は、後続の前記コンプレッサディスク（６６）を通じて誘導された少なくとも１つの冷却媒体移送経路（１００）を介して前記後方中空スペース（７８）に導入されることを特徴とする軸流コンプレッサ（２）を作動するための方法。
【請求項１】
流れ媒体（Ｓ）を圧縮するための、特にガスタービン（１）のための軸流コンプレッサ（２）であって、該コンプレッサは、ステータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がステータブレードキャリア（２６）に固定された複数のコンプレッサステータブレード（２４）と、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフト（２０）のコンプレッサディスク（６４，６６）に固定された複数のコンプレッサロータブレード（１８）と、を備え、
各々２つの連続した前記コンプレッサディスク（６４，６６）はそれらの間に形成された中空スペース（７０）を収容し、
最後の前記コンプレッサディスク（６６）は、前記流れ媒体（Ｓ）の流れ方向から見て後方中空スペース（７８）を画定した軸流コンプレッサにおいて、
少なくとも１つの冷却媒体供給ダクト（８０）は前記ステータブレード（２６）および前記ステータブレード（２６）に固定された前記コンプレッサステータブレード（２４）を通じて前記コンプレッサディスク（６４，６６）の間に形成された１つの前記中空スペース（７０）において開口しており、前記冷却媒体供給ダクト（８０）は前記流れ媒体（Ｓ）の流れ方向から見て最後の前記コンプレッサディスク（６６）の上流に配置され、前記冷却媒体供給ダクトは前記コンプレッサステータブレード（２４）の先端においてそこに配置された排出開口（９４）を介して前記コンプレッサシャフト（２０）と面しており、
前記中空スペース（７０）は後続の前記コンプレッサディスク（６６）を通じて誘導された少なくとも１つの冷却媒体移送経路（１００）を介して前記後方中空スペース（７８）に接続されていることを特徴とする軸流コンプレッサ（２）。
【請求項２】
最後の前記コンプレッサディスク（６６）の上流に配置されたステータブレード列の複数の前記コンプレッサステータブレード（２４）には、周方向から見て、対応した冷却媒体供給ダクト（８０）が備わっていることを特徴とする請求項１に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項３】
環状冷却媒体分配チャンバ（１０６）が前記ステータブレードキャリア（２６）または周囲を取り囲んだケーシング部品に形成されており、前記環状冷却媒体分配チャンバには前記コンプレッサステータブレード（２４）内に配置された前記冷却媒体供給ダクト（８０）のセクションが接続されていることを特徴とする請求項２に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項４】
冷却媒体を供給するために設けられた前記ステータブレード列（６８）のコンプレッサステータブレード（２４）は、その先端（３６）において、一側において前記流れ媒体（Ｓ）のための流路（２２）を画定し且つ他側において前記中空スペース（７０）を前記流路（２２）に関してシールした環状ボディ（９０）に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項５】
個々の前記冷却媒体供給ダクト（８０）は前記管状ボディを通じて誘導されていることを特徴とする請求項４に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項６】
個々の前記冷却媒体供給ダクト（８０）は、前記後方中空スペース（７８）に直接先行した前記中空スペース（７０）において開口していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項７】
前記後方中空スペース（７８）は、一側において最後の前記コンプレッサディスク（６６）の後端面（７６）に対向して配置され、環状ロータカバーの端面によって画定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の軸流コンプレッサ（２）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の軸流コンプレッサを備えたガスタービン（１）。
【請求項９】
軸流コンプレッサ（２）を作動するための方法であって、該軸流コンプレッサは各々がステータブレードキャリア（２６）に固定された複数のコンプレッサステータブレード（２４）と、ロータブレード列を形成するために組み立てられ且つ各々がコンプレッサシャフト（２０）のコンプレッサディスク（６４，６６）に固定された複数のコンプレッサロータブレード（１８）と、を備え、
各々２つの連続した前記コンプレッサディスク（６４，６６）はそれらの間に形成された中空スペース（７０）を収容し、
最後の前記コンプレッサディスク（６６）は、前記流れ媒体（Ｓ）の流れ方向から見て後方中空スペース（７８）を画定した軸流コンプレッサを作動するための方法において、
冷却媒体（Ｋ）は、前記コンプレッサディスク（６４，６６）の間に配置された前記中空スペース（７０）内に、少なくとも１つの冷却媒体供給ダクト（８０）によって導入され、前記冷却媒体供給ダクトは前記ステータブレード（２６）および前記ステータブレード（２６）に固定された前記コンプレッサステータブレード（２４）を通じて誘導され、且つ前記流れ媒体（Ｓ）の流れ方向から見て最後の前記コンプレッサディスク（６６）の上流に配置され、前記冷却媒体供給ダクトから、前記冷却媒体（Ｋ）は、後続の前記コンプレッサディスク（６６）を通じて誘導された少なくとも１つの冷却媒体移送経路（１００）を介して前記後方中空スペース（７８）に導入されることを特徴とする軸流コンプレッサ（２）を作動するための方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−９７７４８（Ｐ２０１２−９７７４８Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２４１００９（Ｐ２０１１−２４１００９）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（５０８００８８６５）シーメンス アクティエンゲゼルシャフト (99)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１００９（Ｐ２０１１−２４１００９）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（５０８００８８６５）シーメンス アクティエンゲゼルシャフト (99)
【Ｆターム（参考）】
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