Aus Scheiben zusammengesetzter Läufer einer Axialturbine Die Erfindung betrifft einen aus einzelnen als Schaufelträger ausgebildeten Scheiben zusammen gesetzten Läufer einer Axialturbine. Es sind Tur binenläufer dieser Art bekannt, bei welchen volle Scheiben verwendet sind, welche beidseitig in der Nähe ihres Aussenkranzes eine ringförmige Schulter aufweisen und bei welchen die Schultern benach barter Scheiben miteinander bzw. die äusseren Schul tern der Endscheiben je mit einem Wellenstück durch Rundschweissnähte zusammengeschweisst sind.
Bei solchen Läufern ergibt sich der Nachteil, dass die Schweissnähte nur auf der Aussenseite nach bearbeitet werden können. Die Innenseite der Schweissnaht bleibt dagegen nach deren Fertigstellung unzugänglich. Da sich beim Schweissen auf der Innenseite Schlacken ansammeln und Einbrand kerben bilden können, besteht die Gefahr, dass die Festigkeit des Bauteiles vermindert wird.
Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu vermeiden. Bei einem aus einzelnen, als Schaufel träger ausgebildeten Scheiben zusammengesetzten Läufer einer Axialturbine, bei welchem die Scheiben beidseitig eine ringförmige Schulter aufweisen und die Schultern benachbarter Scheiben miteinander bzw. die äusseren Schultern der Endscheiben je mit einem weiteren Läuferteil durch Rundschweiss nähte verbunden sind, wird dies gemäss der Erfin dung dadurch erreicht, dass die Scheiben zentrale Bohrungen von einer mindestens 30 /e des Aussen durchmessers der Scheibe betragenden lichten Weite aufweisen, und dass mindestens die die höchsten Betriebstemperaturen aufweisenden Rundschweiss nähte nicht nur von aussen, sondern auch von innen nachbearbeitet sind.
Bei der Nachbearbeitung der Schweissnaht von der Innenseite werden allfällige fehlerhafte Stellen beseitigt. Die zentralen Bohrungen der Scheiben er- lauben hierbei, im Verlaufe der Herstellung des Läufers alle Schweissungen nachzubearbeiten, ausser der letzten, da bei der angegebenen Grösse der lich ten Weite der Bohrungen genügend Raum gegeben wird, um die für die Nachbearbeitung der Schweiss nähte erforderlichen Werkzeuge einzuführen.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dar gestellt. Fig.2 zeigt eine Einzelheit in grösserem Massstab.
Der Turbinenläufer ist aus vier einzelnen, als Schaufelträger ausgebildeten Scheiben 1, 2, 3, 4 zu sammengesetzt. Die Scheiben weisen beidseitig eine ringförmige Schulter auf. Die Schultern der ein zelnen Scheiben sind mit 1', 2', 3', 4' bzw. 1", 2", 3", 4" bezeichnet. Die äussere Schulter 1' der ersten Scheibe ist mit einem anschliessenden weiteren Läu ferteil, nämlich einem Wellenstück 5 durch eine Rundschweissnaht 6 verbunden. Die Schultern 1" und 2', 2" und 3' bzw. 3" und 4' der benachbarten Scheiben 1, 2, 3, 4 sind durch Rundschweissnähte 7, 8 bzw. 9 miteinander verbunden. Eine Rund schweissnaht 10 verbindet ferner die äussere Schulter 4" der Endscheibe 4 mit einem Wellenstück 11.
Die Wellenstücke 5 und 11 sind nur teilweise dargestellt.
Die Scheiben sind an ihrem Aussenumfang mit Laufschaufeln 12, 13, 14, 15 besetzt. Zwischen den Scheiben, auf der Aussenseite der Schultern 1" und 2', 2" und 3' bzw. 3" und 4' sind feststehende, ring förmige Schaufelträger 16, 17, 18 angeordnet, in welche Leitschaufeln 19, 20, 21 eingesetzt sind. Sie lassen zwischen sich und dem Turbinenläufer durch Labyrinthdichtungen 22, 23, 24 abgedichtete Ring spalte frei.
Die Scheiben haben einen Aussendurchmesser von der Grösse D. Sie sind mit zentralen Bohrungen ver- sehen, deren lichte Weite d mehr als 30 %. des Aussendurchmessers D der Scheiben beträgt.
Der Turbinenläufer wird vom Arbeitsmittel in Richtung der Pfeile A angeströmt. Die Rundschweiss nähte 6 und 7 haben somit die höchsten Betriebs temperaturen. Sie sind nicht nur von aussen, sondern auch von innen nachbearbeitet. Dies ist deshalb möglich, weil nach Herstellung der Schweissnaht 6 bzw. 7 infolge der verhältnismässig grossen Bohrung der Scheibe 1 bzw. 2 immer noch genügend Platz verbleibt, um durch diese Bohrungen hindurch die für die Nachbearbeitung der Schweissnähte erforder lichen Werkzeuge hindurchzuführen. Dieselbe Mög lichkeit ergibt sich aber auch für die Schweissnähte 8 und 9.
Nur bei der letzten Schweissnahf 10 ist bei der Herstellung des Läufers eine Nachbearbeitung von innen nicht mehr möglich. Diese Schweissnaht hat aber die niedrigste Betriebstemperatur, bei wel cher der Werkstoff höhere Festigkeit aufweist, so dass allfällig auf der Innenseite auftretende kleine Fehler in der Schweissung keine Gefährdung bringen.
Das Vorsehen von Bohrungen in den Scheiben bringt gegenüber der vollen Scheibe eine gewisse Erhöhung der infolge Fliehkraftbeanspruchung auf tretenden Spannungen. Diese kann aber durch ent sprechende Formgebung mindestens teilweise kom pensiert werden. Auch ist es zweckmässig, mindestens die der höchsten Arbeitsmitteltemperatur ausgesetzten Scheiben zu kühlen, um so eine höhere Festigkeit des Werkstoffes zu erreichen. Zu diesem Zweck sind im Wellenstück 5 längs des Umfanges einzelne Öff nungen 25 angebracht, durch welche von einem äusseren, nicht gezeigten, das Wellenstück 5 um gebenden Ringraum ein gasförmiges Kühlmittel in den Innenhohlraum des Läufers eingeführt wird.
Von diesem Kühlmittel wird zweckmässig auch ein Teil längs der Aussenseite des Wellenstückes 5 über die Schweissnaht 6 und die Schulter 1' zur Scheibe 1 geleitet, worauf es sich mit dem zuströmenden Arbeitsmittel vermengt.
Zwischen den die höchste Betriebstemperatur auf weisenden Scheiben 1, 2 und 3 sind jeweils in der auf der Zuflussseite des Arbeitsmittels liegenden Schulter 1" bzw. 2" in der Nähe der Schweissnaht 7 bzw. 8 radiale Öffnungen 26 bzw. 27 für den Durchfluss des Kühlmittels vom Innenhohlraum des Läufers nach aussen angebracht. Das durch den Innenhohlraum strömende Kühlmittel umspült dabei die Scheiben 1 und 2 von der Innenseite und gelangt nach dem Durchtritt durch die Öffnungen 26 in den zwischen den Leitschaufelträgern 16 bzw. 17 und dem Läufer freigelassenen Ringspalt.
Die Laby- rinthdichtungen 22 bzw. 23 erstrecken sich hierbei so weit, dass beidseitig der Öffnungen 26 bzw. 27 noch eine Drosselwirkung auftritt. Zweckmässig wer den die Öffnungen so bemessen, dass beträchtliche Temperaturunterschiede in benachbarten Rotorteilen vermieden werden.
Das Kühlmittel ist dem Innenhohlraum des Läu fers mit einem höheren Druck zuzuführen, als der Arbeitsmitteldruck nach dem Durchtritt durch die Laufschaufelung 12. Ein Teil des durch die öffnun- gen 26 austretenden Kühlmittels strömt dann in Richtung gegen die Scheibe 1 und verhindert den Durchtritt von heissem Arbeitsmittel durch den Ring spalt zwischen dem Leitschaufelträger 16 und dem Läufer.
Der restliche Teil des Kühlmittels strömt dagegen längs der Schulter 1", der Schweissnaht 7, der Schulter 2' und der Scheibe 2 durch den Ring spalt, um sich mit dem Arbeitsmittel vor dem Ein tritt in die Laufschaufelung 13 zu vermengen. Ent sprechend verläuft die Strömung des Kühlmittels durch die Öffnungen 27 und den zwischen dem Leitschaufelträger 17 und dem Läufer freigelassenen Ringspalt.
Damit wird die Temperatur der Scheiben der dazwischen liegenden Schultern und der Schweiss nähte auf einer mit Rücksicht auf Festigkeit zuläs sigen Grenze gehalten. Es ist zweckmässig, dem Läu fer nicht ganz kaltes Kühlmittel zuzuführen. Wird der Läufer für eine Gasturbinenanlage verwendet, so wird dem Innenhohlraum des Läufers als Kühl mittel vorzugsweise Arbeitsmittel zugeführt, welches eine Temperatur hat, die mindestens so hoch ist wie die Temperatur des den Arbeitsmittelverdichter der Anlage verlassenden Arbeitsmittels. Bei einer Ar beitsmitteltemperatur von etwa 650 bis 700 C am Eintritt in die Turbine, ist es sogar vorteilhaft, zur Kühlung Arbeitsmittel zu verwenden, welches eine Temperatur von mindestens etwa 300 C hat.
Da durch wird eine gleichmässigere Temperaturverteilung im Rotor erreicht und somit werden unzulässig grosse Wärmespannungen vermieden. In jenen Fällen, in denen das von der Turbine abströmende Arbeits mittel in einem Wärmeaustauscher Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel abgibt, kann dabei eine Teilmenge des diesen Wärmeaustauscher verlassen den, verdichteten Arbeitsmittels dem Innenhohl raum des Läufers als Kühlmittel zugeführt werden.
Dadurch wird einerseits eine allzustarke und un wirtschaftliche Kühlung des Läufers vermieden, und anderseits ergibt sich auch beim Anfahren vom kalten Zustande aus eine günstige Wirkung, indem nun der Läufer nicht nur von der Aussenseite, son dern auch von der Innenseite gegen seine endgültige Betriebstemperatur erwärmt wird. Die Ausbildung der Scheiben als Ringelemente hilft ebenfalls, eine schnellere Durchwärmung des Rotors beim Anfahren zu erreichen.
An axial turbine rotor composed of disks The invention relates to an axial turbine rotor composed of individual disks designed as blade carriers. There are tur binenläufer of this type are known in which full discs are used, which have an annular shoulder on both sides near their outer rim and in which the shoulders of neigh bored discs with each other or the outer school tern of the end discs are welded together with a piece of shaft by circular welds are.
Such runners have the disadvantage that the weld seams can only be reworked on the outside. The inside of the weld seam, however, remains inaccessible after it has been completed. Since slag can accumulate on the inside during welding and penetration notches, there is a risk that the strength of the component will be reduced.
The invention aims to avoid this disadvantage. In the case of a rotor of an axial turbine composed of individual disks designed as a blade carrier, in which the disks have an annular shoulder on both sides and the shoulders of adjacent disks are connected to one another or the outer shoulders of the end disks are connected to a further rotor part by circular welds According to the inven tion achieved in that the panes have central bores of at least 30 / e of the outer diameter of the pane, and that at least the circular weld seams exhibiting the highest operating temperatures are not only reworked from the outside, but also from the inside.
Any defective areas are eliminated when the weld seam is reworked from the inside. The central bores of the disks allow all welds to be reworked in the course of the manufacture of the rotor, except for the last one, since with the specified size of the light width of the bores there is enough space for the tools required for reworking the weld seams to introduce.
In Fig. 1 of the drawing, an embodiment example of the subject invention is simplified represents. Fig. 2 shows a detail on a larger scale.
The turbine runner is composed of four individual disks 1, 2, 3, 4 designed as blade carriers. The disks have an annular shoulder on both sides. The shoulders of the individual disks are labeled 1 ', 2', 3 ', 4' and 1 ", 2", 3 ", 4", respectively. The outer shoulder 1 'of the first disk is connected to a subsequent further Läu part, namely a shaft piece 5 by a circular weld seam 6. The shoulders 1 "and 2 ', 2" and 3' or 3 "and 4 'of the adjacent panes 1, 2, 3, 4 are connected to one another by circular weld seams 7, 8 and 9. A circular weld seam 10 also connects the outer one Shoulder 4 ″ of the end plate 4 with a shaft piece 11.
The shaft pieces 5 and 11 are only partially shown.
The disks are fitted with rotor blades 12, 13, 14, 15 on their outer circumference. Between the disks, on the outside of the shoulders 1 "and 2 ', 2" and 3' or 3 "and 4 ', fixed, ring-shaped vane carriers 16, 17, 18 are arranged, into which guide vanes 19, 20, 21 are inserted You can clear gaps between you and the turbine runner by labyrinth seals 22, 23, 24 sealed ring.
The discs have an outside diameter of size D. They are provided with central bores, the clear width d of which is more than 30%. of the outside diameter D of the disks.
The working fluid flows against the turbine runner in the direction of arrows A. The circular welds 6 and 7 thus have the highest operating temperatures. They are not only processed from the outside, but also from the inside. This is possible because after making the weld 6 or 7 due to the relatively large bore in the disc 1 or 2 there is still enough space to pass the tools required for reworking the welds through these bores. The same possibility also arises for the welds 8 and 9.
Only in the case of the last weld seam 10 is reworking from the inside no longer possible during the manufacture of the rotor. This weld seam, however, has the lowest operating temperature at which the material has greater strength, so that any small defects in the weld that may occur on the inside are not dangerous.
The provision of holes in the disks brings about a certain increase in the stresses occurring as a result of centrifugal forces compared to the full disk. However, this can be compensated at least partially by appropriate shaping. It is also advisable to cool at least the panes exposed to the highest working medium temperature in order to achieve a higher strength of the material. For this purpose, individual openings 25 Publ are attached along the circumference in the shaft piece 5, through which a gaseous coolant is introduced into the inner cavity of the rotor from an outer, not shown, the shaft piece 5 to give annular space.
A part of this coolant is expediently also passed along the outside of the shaft piece 5 via the weld seam 6 and the shoulder 1 'to the disk 1, whereupon it mixes with the incoming working medium.
Between the disks 1, 2 and 3, which have the highest operating temperature, there are radial openings 26 and 27 for the flow of the coolant in the shoulder 1 ″ or 2 ″ near the weld 7 and 8, respectively, on the inflow side of the working medium attached from the inner cavity of the rotor to the outside. The coolant flowing through the inner cavity washes around the disks 1 and 2 from the inside and, after passing through the openings 26, reaches the annular gap left free between the guide vane carriers 16 or 17 and the rotor.
The labyrinth seals 22 and 23 extend so far that a throttling effect still occurs on both sides of the openings 26 and 27. It is advisable to dimension the openings in such a way that considerable temperature differences in neighboring rotor parts are avoided.
The coolant is to be supplied to the inner cavity of the rotor at a higher pressure than the working medium pressure after passing through the rotor blades 12. Part of the coolant exiting through the openings 26 then flows in the direction of the disk 1 and prevents hot water from passing through Working fluid through the ring gap between the guide vane carrier 16 and the rotor.
The remaining part of the coolant, however, flows along the shoulder 1 ″, the weld seam 7, the shoulder 2 'and the disk 2 through the ring gap in order to mix with the working fluid before it enters the rotor blade 13 Flow of the coolant through the openings 27 and the annular gap left free between the guide vane carrier 17 and the rotor.
This keeps the temperature of the panes of the shoulders in between and the weld seams at a permissible limit with regard to strength. It is advisable to supply the runner with coolant that is not completely cold. If the rotor is used for a gas turbine system, the inner cavity of the rotor is preferably supplied as a coolant working medium which has a temperature which is at least as high as the temperature of the working medium leaving the working medium compressor of the system. If the working medium temperature is around 650 to 700 C at the inlet to the turbine, it is even advantageous to use working medium which has a temperature of at least around 300 C for cooling.
This results in a more even temperature distribution in the rotor and thus inadmissibly high thermal stresses are avoided. In those cases in which the working medium flowing out of the turbine releases heat to the compressed working medium in a heat exchanger, a subset of the compressed working medium leaving this heat exchanger can be supplied to the inner cavity of the rotor as coolant.
On the one hand, this avoids excessive and uneconomical cooling of the rotor, and on the other hand, there is also a beneficial effect when starting from a cold state, in that the rotor is now heated to its final operating temperature not only from the outside but also from the inside . The design of the disks as ring elements also helps to heat the rotor more quickly when starting up.