CH702191A1

CH702191A1 - Geschweisster Rotor.

Info

Publication number: CH702191A1
Application number: CH01699/09A
Authority: CH
Inventors: Ernst Pauli; Thomas Kramer; Holger Kiewel
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2011-05-13
Also published as: CN102667064B; WO2011054758A4; US20120275926A1; EP2496793B1; EP2496793A1; JP2013510259A; CN102667064A; WO2011054758A1; US8517676B2; JP5559343B2

Abstract

Ein Rotor (1) für eine Strömungsmaschine umfasst eine Mehrzahl von zusammengeschweissten Rotorscheiben (3a, 3b, 4, 5), wovon zwei oder mehr Rotorscheiben (3a, 3b) in einem radial äusseren Bereich (9´) zusammengeschweisst sind und in einem radial inneren Zentrumsbereich (9) stumpf zusammengestossen sind. Über die stumpfe Aneinanderfügung von zwei Rotorscheiben (3a, 3b) wird ein Wärmefluss (8) aus dem Zentrum des Rotors (1) radial auswärts erreicht, sodass die Materialtemperatur des Rotors (1) während des Betriebs unter einem vorbestimmten Niveau gehalten werden kann. Dadurch kann die Betriebslebensdauer des Rotors (1) erhöht werden. In einer Ausführung weist eine Rotorscheibe (3a) an ihrer Oberfläche zusätzlich eine Ausnehmung (7) auf, die von aussen kühlbar ist. Die erfindungsgemässen geschweissten und stumpf aneinandergestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) sind insbesondere an letzter Stelle in Strömungsrichtung eines Verdichters anwendbar.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft geschweisste Rotoren für Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen und Verdichter, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Stand der Technik

[0002] Rotoren für Gasturbinen bestehen in der Regel aus mehreren Scheiben, die entweder mithilfe von Schraubverbindungen zusammengefügt oder zusammengeschweisst werden. Um Überhitzungen während des Betriebs und dadurch verursachte Verringerung der Betriebslebensdauer der Rotoren zu vermeiden, werden die Rotoren aktiv gekühlt. Dabei wird zwischen Kühlmethoden für mit Schrauben verbundenen Rotoren und geschweisste Rotoren unterschieden. Die Kühlmethoden für verschraubte Rotoren sind bei geschweissten Rotoren nur bedingt anwendbar, weil die Rotorscheiben bei geschweissten Rotoren im Vergleich zu geschraubten Rotoren massiver sind und eine Innenkühlung durch Bohrungen schwieriger zu realisieren wäre.

[0003] Für geschweisste Rotoren sind verschiedene Kühlvorrichtungen mit Kühlkanälen und - räumen in - und ausserhalb des Rotors bekannt. Beispielsweise offenbart EP 984 138 einen Rotor für eine Gasturbine, insbesondere Verdichter, dessen Oberfläche durch Kühlströme beaufschlagt wird. Die Kühlströme werden über Luftkanäle durch die Leitschaufeln und durch Öffnungen in deren Schaufelspitzen direkt zur Rotoroberfläche geführt. EP 844 367 offenbart einen geschweissten Rotor für eine Strömungsmaschine mit mehreren Rotorscheiben, die zwischen Schweissnähten jeweils einen ringförmigen Hohlraum aufweisen zwecks Durchströmung eines Kühldampfs. Das Kühlmedium wird durch den Rotor selbst radial auswärts zu den Schaufelfüssen geführt.

[0004] EP1 705 339 offenbart einen Rotor für eine Gasturbine mit radial verlaufen Kühlluftkanälen, wobei diese einen elliptischen Querschnitt aufweisen.

[0005] Bei Rotoren für Gasturbinen sind insbesondere die, in Strömungsrichtung der zu verdichtenden Luft, letzten Rotorscheiben im Kompressor aufgrund der Verdichtung der Luft hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt. Die Temperatur steigt dabei die Temperatur über die Länge des Kompressors stetig an, wobei die Wärme radial in den Rotor eindringt. In den genannten letzten Rotorscheiben ist eine aktive Kühlung notwendig, um die Materialtemperatur unter einem gewissen Niveau zu halten und eine entsprechend zu erwartende Betriebslebensdauer des Rotors zu erreichen. Eine bekannte Technik zur Kühlung der letzten Rotorscheibe eines Verdichters ist in Fig. 1 dargestellt.

[0006] Ein Rotor 1 für eine Gasturbine mit Rotorachse 2 weist mehrere Rotorscheiben 3, 4 und 5 auf, die durch Schweissnähte 6 zwischen inneren Hohlräumen H und H’, die durch das axiale Zusammenfügen der Scheiben gebildet werden, und der Rotoroberfläche miteinander verbunden sind. Die letzte Rotorscheibe 3 weist zudem an ihrer Oberfläche eine Ausnehmung 7 auf. Dieser Ausnehmung wird Kühlluft von ausserhalb des Rotors zugeführt. Wärme aus dem Mittenbereich der letzten Scheibe 3 des Kompressorrotors wird in Richtung des Pfeils 8 und schliesslich über die gekühlte Ausnehmung entzogen. Der Wärmeabfluss 8 wird dabei dadurch begünstigt, wenn die Rotorscheibe in axialer Richtung massiv ausgestaltet ist. Einer massiven Ausgestaltung in axialer Richtung sind jedoch aufgrund der Fertigungstechnik solcher Rotoren sowie der Notwendigkeit, diese im Schmiedeprozess prüfen zu können, Grenzen gesetzt.

Darstellung der Erfindung

[0007] Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, einen aus einer Mehrzahl von Rotorscheiben geschweissten Rotor für eine Strömungsmaschine vorzuschlagen, bei dem die Materialtemperatur der Kompressorrotorscheiben während des Betriebs auf oder unter einem vorbestimmten Niveau gehalten werden kann, sodass eine vorbestimmte Betriebslebensdauer erwartet werden kann. Zugleich soll der Rotor, im Vergleich zu Rotoren des Standes der Technik, im Hinblick auf dessen Fertigung und Möglichkeiten zu dessen Prüfung im Schmiedeprozess verbessert sein. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu Herstellung eines solchen Rotors vorzuschlagen.

[0008] Es wird ein geschweisster Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine und Verdichter, mit einer Mehrzahl axial nebeneinander angeordneten und zusammengeschweissten Rotorscheiben aufgezeigt. Erfindungsgemäss weist der Rotor zusätzlich zu den zusammengeschweissten Rotorscheiben zwei oder mehr Rotorscheiben auf, die in einem Zentrumsbereich um die Rotationsachse der Rotorscheiben stumpf aneinander gefügt sind und in einem radial äusseren Bereich zusammengeschweisst sind, wobei zwischen dem Zentrumsbereich der stumpfen Aneinanderfügung und dem radial äusseren geschweissten Bereich ein Ringraum besteht.

[0009] Die Erfindung ist insbesondere bei der letzten Rotorscheibe eines Verdichters oder bei den Rotorscheiben, die höheren Temperaturen ausgesetzt sind, vorteilhaft.

[0010] Der Rotor weist im Bereich der höchsten Temperaturen zwei oder mehr Rotorscheiben auf, die im Vergleich zu den Rotorscheiben des Standes der Technik kleiner, d.h. weniger dick ausgebildet sind. Aufgrund ihrer kleineren Grösse sind diese einfacher herzustellen. Insbesondere ist ihre Schmiedbarkeit verbessert und der erreichbare Umformgrad erhöht.

[0011] Zudem sind die einzelnen Rotorscheiben im Schmiedeprozess einfacher zu prüfen, da durch die kleinere Dicke der Scheiben der Schallweg bei der Prüfung verkürzt ist und dadurch Messresultate mit höherer Auflösung erreicht werden können.

[0012] Indem die zwei oder mehr Rotorscheiben über einen bestimmten radialen Bereich jeweils stumpf stossend aneinander gefügt sind, wird ein Wärmefluss aus dem Zentrumsbereich des Rotors an die radial äussere Oberfläche des Rotors erreicht. Die Materialtemperatur des Rotors während des Betriebs kann dadurch unter einem vorbestimmten Niveau gehalten werden und somit die Betriebslebensdauer des Rotors erhöht werden.

[0013] In einer Ausführung weist dabei eine der stumpf aneinander gefügten Rotorscheiben an ihrer radial äusseren Oberfläche eine Ausnehmung auf, die sich über den Umfang der Rotorscheibe erstreckt und durch ein von aussen zugeführtes Kühlmedium kühlbar ist. Zweckmässigerweise ist die Ausnehmung an der letzten Rotorscheibe angebracht. Die kühlbare Ausnehmung gewährleistet insbesondere einen erhöhten Wärmeabfluss.

[0014] In einer Ausführung der Erfindung ist der Rotor der eines Verdichters für eine Gasturbine, wobei die Rotorscheiben, durch die genannte Art stumpf aneinander gestossen und geschweisst, an der letzten Stelle in Richtung der Strömung durch die Maschine angeordnet sind. Dadurch wird der Wärmeabfluss an der Stelle der höchsten Materialtemperatur ermöglicht und ist dadurch für die Kühlung des Rotors am wirksamsten.

[0015] Die erfindungsgemässen Rotorscheiben können auch an jeder zweckmässigen Stelle des Rotors angeordnet werden, an der eine Kühlung notwendig oder wirksam ist.

[0016] In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist der Rotor zusätzlich zwischen den stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben im Zentrumsbereich der Scheiben eine Schicht mit einem wärmeleitendem Material auf. Beispielsweise ist diese Schicht an der Oberfläche einer der beiden Rotorscheiben angebracht. Für das wärmeleitende Material ist zum Beispiel ein Metall mit höherer Wärmeleitfähigkeit als die des Rotorstahls geeignet.

[0017] Durch den Einsatz eines wärmeleitenden Bestandteils wird der Wärmefluss aus der Mitte der Rotorscheibe, also aus dem Bereich um die Rotationsachse und von der ersten zur zweiten aneinander gestossenen Rotorscheiben zur äusseren Oberfläche des Rotors weiter begünstigt und die zu erwartende Lebensdauer des Rotors weiter erhöht.

[0018] Sämtliche der aufgezeigten Ausführungen des erfindungsgemässen Rotors sind nicht nur auf zwei Rotorscheiben beschränkt, sondern lassen sich in geeigneter Weise auf beliebig viele Rotorscheiben des Rotors anwenden.

[0019] In einem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Strömungsmaschine wird eine Mehrzahl von Rotorscheiben zusammengeschweisst, wobei mindestens zwei der Rotorscheiben bereit gestellt werden, die je eine ringförmige Ausnehmung aufweisen und die Rotorscheiben axial nebeneinander angeordnet werden, sodass ein Ringraum zwischen den Rotorscheiben entsteht. Die Rotorscheiben werden in einem radial äusseren Bereich zwischen dem Ringraum und der äusseren Oberfläche der Scheiben aneinander geschweisst und in einem radialen Zentrumsbereich zwischen Rotorscheibenmitte und dem Ringraum stumpf aneinander gefügt.

[0020] Die einzelnen Rotorscheiben werden in dem radial äusseren Bereich geschweisst und sodann durch Schweissschrumpf zusammengezogen. Dadurch entsteht eine Druckeigenspannung, welche eine erhöhte Betriebslebensdauer des Rotors ermöglicht.

[0021] In einer weiteren Ausführung werden die stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben an der Stelle einer der höchsten zu erwartenden Materialtemperaturen des Rotors angeordnet.

[0022] In einer Ausführung des Verfahrens wird an der einen stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben an deren Oberfläche eine kühlbare Ausnehmung angebracht, die sich über den Umfang der Rotorscheibe erstreckt.

[0023] In einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird im Zentrumsbereich der Scheibe zumindest einer der Rotorscheiben eine Schicht eines wärmeleitenden Materials aufgetragen. Danach werden die Rotorscheibe mit der wärmeleitenden Schicht und die zweite Rotorscheibe in deren radial äusseren Bereich zusammengeschweisst. Im Zentrumsbereich um die Rotationsachse der Scheiben werden sie stumpf aneinander gefügt.

[0024] Der hier beschriebene Rotor eignet sich für eine Strömungsmaschine wie zum Beispiel eine Gasturbine, einen Verdichter oder Dampfturbine.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0025] Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>im Querschnitt einen geschweissten Rotor für eine Strömungsmaschine des Standes der Technik, insbesondere die Rotorscheiben eines Verdichters. <tb>Fig. 2<sep>im Querschnitt eine erste Ausführung eines geschweissten Rotors für eine Strömungsmaschine, insbesondere der Rotorscheiben gemäss der Erfindung. <tb>Fig. 3<sep>im Querschnitt eine zweite Ausführung eines geschweissten Rotors für eine Strömungsmaschine gemäss der Erfindung. <tb>Fig. 4<sep>im Querschnitt eine dritte Ausführung eines geschweissten Rotors für eine Strömungsmaschine, insbesondere der Rotorscheiben gemäss der Erfindung.

[0026] Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren bedeuten jeweils gleiche Bestandteile.

Ausführung der Erfindung

[0027] Fig. 2 zeigt im Längsquerschnitt einen Rotor 1 mit Rotorachse 2, beispielsweise für einen Verdichter. Der Rotor 1 umfasst eine Mehrzahl von Rotorscheiben, wovon in der Figur lediglich Rotorscheiben 3, 4 und 5 dargestellt sind.

[0028] Rotorscheiben 4 und 5 weisen je in ihrer Mitte eine Ausnehmung auf, die nach Zusammenfügen der Scheiben einen Hohlraum H bilden. Die Rotorscheiben 4 und 5 sind durch Schweissnaht 6 zwischen dem Hohlraum H und der radial äusseren Oberfläche der Scheiben 4 und 5 miteinander verbunden. Die Rotorscheibe 3 des Rotors des Standes der Technik ist erfindungsgemäss durch zwei einzelne, im Vergleich weniger massiv ausgebildete Rotorscheiben 3a und 3b realisiert. In dem gezeigten Beispiel sind die Rotorscheiben 3a und 3b die in Strömungsrichtung an letzter Stelle angeordnete Rotorscheiben eines Verdichters. Diese weisen in ihrem Zentrumsbereich an ihren einander axial zugewandten Seiten je eine Ausnehmung auf, die bei ihrer Zusammenfügung einen Ringraum H ́ ́ bilden.

[0029] Die Rotorscheibe 3b ist mit der benachbarten Rotorscheibe 4 mittels einer Schweissnaht 6 ́ auf gleiche Weise wie die Rotorscheiben 4 und 5 zusammengefügt. Sie weist stromaufseitig ebenfalls eine Ausnehmung auf, die bei Zusammenfügung mit Scheibe 4 den Hohlraum H’ bildet, der dem Hohlraum H ähnlich ist.

[0030] Die Rotorscheiben 3a und 3b sind in einem radial äusseren Bereich 9 ́ durch die Schweissnaht 10 miteinander verbunden, die sich vom Ringraum H» bis zur Oberfläche des Rotors erstreckt. In einem Zentrumsbereich 9 um die Rotationsachse 2 der Rotorscheiben 3a und 3b sind die einander zugewandten Oberflächen der Scheiben stumpf aneinander gestossen.

[0031] Der Zentrumsbereich 9 des Rotors ist beispielsweise der Bereich, der sich um die Rotationsachse der Scheiben und über den radial inneren Bereich erstreckt und der von der ringförmigen Ausnehmung an den einander zugewandten Seiten der Rotorscheiben 3a und 3b umgeben ist. Aus diesem Zentrumsbereich ist auch die Wärme abzuführen ist, um eine Überhitzung des Rotors zu vermeiden. Nach Zusammenfügen der Rotorscheiben 3a und 3b bilden die ringförmigen Ausnehmungen der Scheiben den Ringraum H». Der radial äussere Bereich 9 ́ erstreckt sich beispielsweise zwischen den inneren Ausnehmungen der Scheiben oder dem Ringraum H» und der Rotoroberfläche.

[0032] Die stumpfe Aneinanderfügung gewährleistet einen Wärmefluss 8 aus dem Zentrumsbereich 9 der Rotorscheibe 3b über die Rotorscheibe 3a und radial nach aussen zur Rotoroberfläche, wo die Wärme abgeführt werden kann.

[0033] Fig. 3 zeigt den gleichen Rotor wie in Fig. 2, jedoch mit einem zusätzlichen Merkmal an der Rotorscheibe 3a, die in Strömungsrichtung am Rotor an letzter Stelle angeordnet ist. Sie weist an ihrer Oberfläche eine Ausnehmung 7 oder Ringnut auf, die sich über den Umfang der Rotorscheibe erstreckt und von aussen durch ein geeignetes Kühlmedium gekühlt werden kann, wie zum Beispiel Kühlluft oder Kühldampf. Die Wärme, die aus dem Zentrumsbereich 9 der Rotorscheiben 3a und 3b an die Oberfläche geleitet wird, wird mit erhöhter Wirksamkeit über die Ausnehmung 7 abgeführt.

[0034] In einer besonders wirksamen Ausführung der Erfindung ist die Ausnehmung 7 der Rotorscheibe 3a mit einer elliptischen Querschnittskontur ausgeführt.

[0035] Fig. 4 zeigt eine erweiterte Ausführung des erfindungsgemässen Rotors 1 bestehend wiederum aus Rotorscheiben 3a, 3b, 4, 5. Die Rotorscheiben 3a und 3b weisen wiederum an ihren einander axial zugewandten Seiten je eine ringförmige Ausnehmung auf, die bei der Zusammenfügung einen Ringraum H» bilden. Ein Zentrumsbereich 9 an den einander zugewandten Oberflächen der Rotorscheiben 3a, 3b erstreckt sich über den Bereich, der vom Ringraum H» umgeben wird. Die erweiterte Ausführung unterscheidet sich von dem Rotor von Figur 2und 3 in der Realisierung des Wärmeübergangs im Zentrumsbereich 9 der Rotorscheiben 3a und 3b. Die Rotorscheibe 3a oder 3b weist in ihrem Zentrumsbereich 9 eine Schicht 11 eines wärmeleitenden Materials auf. Diese Schicht 11 und die Oberfläche des Zentrumsbereichs 9 der Rotorscheibe 3b sind wiederum stumpf aneinander gefügt.

[0036] Die Schicht 11 besteht beispielsweise aus einem geeigneten Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit grösser als die des Rotormaterials.

Bezugszeichenliste

[0037] <tb>1<sep>Rotor <tb>2<sep>Rotorachse <tb>4,5<sep>Rotorscheiben, geschweisst <tb>3<sep>letzte Rotorscheibe <tb>3a, 3b<sep>Rotorscheiben, stumpf aneinander gefügt und geschweisst <tb>6, 6 ́<sep>Schweissnaht <tb>7<sep>Ausnehmung <tb>8<sep>Wärmefluss <tb>9<sep>Zentrumsbereich <tb>9 ́<sep>radial äusserer Bereich <tb>10<sep>Schweissnaht <tb>11<sep>wärmeleitende Schicht <tb>H, H ́<sep>Hohlraum <tb>H ́ ́<sep>Ringraum

Claims

1. Rotor (1) für eine Strömungsmaschine mit einer Mehrzahl von zusammengeschweissten Rotorscheiben (4, 5) dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) mindestens zwei Rotorscheiben (3a, 3b) aufweist, die axial nebeneinander angeordnet sind, wobei die Rotorscheiben (3a, 3b) in einem Zentrumsbereich (9) um die Rotationsachse (2) der Rotorscheiben (3a, 3b) stumpf aneinander gestossen sind und in einem radial äusseren Bereich (9 ́) der Rotorscheiben (3a, 3b) zusammengeschweisst sind und zwischen dem Zentrumsbereich (9) und dem radial äusseren Bereich (9 ́) der Rotorscheiben (3a, 3b) sich ein Ringraum (H ́ ́) erstreckt.

2. Rotor (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine der stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) an ihrer radial äusseren Oberfläche eine Ausnehmung (7) aufweist, die durch ein von aussen zugeführtes Kühlmedium kühlbar ist und die sich über den Umfang der Rotorscheibe erstreckt.

3. Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) in deren Zentrumsbereich (9) eine Schicht (11) mit einem wärmeleitenden Material angeordnet ist.

4. Rotor (1) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (11) auf die Oberfläche einer der stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) aufgetragen ist.

5. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (7) eine elliptische Querschnittskontur aufweist.

6. Rotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) ein Rotor für einen Verdichter einer Gasturbine ist und die stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) in Richtung der Strömung durch den Verdichter an letzter Stelle des Rotors (1) angeordnet sind.

7. Rotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) an einer Stelle am Rotor mit einer der höchsten Materialtemperatur im gesamten Rotor angeordnet ist.

8. Rotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) ein Rotor eines Verdichters, einer Gasturbine oder einer Dampfturbine ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) für eine Strömungsmaschine dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Rotorscheiben (4, 5) zusammengeschweisst werden, mindestens zwei weitere Rotorscheiben (3a, 3b) bereit gestellt werden und die zwei weiteren Rotorscheiben (3a, 3b) in einem Zentrumsbereich (9) um die Rotationsachse der Rotorscheiben (3a, 3b) stumpf aneinander gestossen zusammengefügt und in einem radial äusseren Bereich (9 ́) zusammengeschweisst werden.

10. Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) durch Schweissschrumpf zusammengezogen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor für einen Verdichter bestimmt ist und die stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) an letzter Stelle des Rotors (1) des Verdichters in Richtung der Strömung durch die Maschine angeordnet werden.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass vordem stumpf aneinander Stossen und Schweissen der Rotorscheiben (3a, 3b) im Zentrumsbereich (9) um die Rotationsachse der Rotorscheiben (3a, 3b) zwischen den Rotorscheiben (3a, 3b) eine Schicht (11) mit einem wärmeleitenden Material angeordnet wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass an der äusseren Oberfläche von einer der stumpf aneinander gestossenen Rotorscheiben (3a, 3b) eine Ausnehmung (7) realisiert wird.