CH704716A1 - Rotorscheibe für eine Turbine sowie Rotor und Turbine mit einer solchen Rotorscheibe. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotorscheibe (10) für einen Rotor einer Turbine, welche an ihrem äusseren Umfang eine Mehrzahl von verteilt angeordneten, im Wesentlichen in axialer Richtung orientierten und in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Befestigungsnuten (11) zur Aufnahme von intern gekühlten Laufschaufeln aufweist, die jeweils mit einem Schaufelfuss in eine der Befestigungsnuten (11) eingesetzt werden, wobei in radialer Richtung durch die Rotorscheibe (10) Kühlfluidbohrungen (13) verlaufen, durch die den Laufschaufeln Kühlfluid (15) zugeführt wird Eine Verlängerung der Lebensdauer wird dadurch erreicht, dass zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen in der Rotorscheibe die Kühlfluidbohrungen (13) so durch die Rotorscheibe (10) geführt sind, dass ihr Austritt (14) auf der Aussenseite der Rotorscheibe (10) jeweils zwischen benachbarten Befestigungsnuten (11) angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Rotoren für Turbinen. Sie betrifft eine Rotorscheibe gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Rotor und Turbine mit einer solchen Rotorscheibe.

STAND DER TECHNIK

[0002] Der Wirkungsgrad von Gasturbinen hängt massgeblich von der Höhe der Temperaturen ab, die das in der Brennkammer erzeugte und durch die Turbine strömende Heissgas hat. Um möglichst hohe Temperaturen zu erreichen, müssen die dem Heissgas ausgesetzten Bauteile, insbesondere die Leit- und Laufschaufeln, nicht nur aus einem besonders widerstandsfähigen Material sein, sondern in der Regel auch gekühlt werden. Hierbei kommt häufig eine Kühlung mit Kühlfluid zum Einsatz, bei der das Kühlfluid den Schaufeln zugeführt wird und durch das Innere der Schaufeln strömt. Als Kühlfluid wird typischerweise Kühlluft, Dampf, rückgekühltes Abgas oder eine Abgas- Frischluftmischung genutzt.

[0003] Bei den im Rotor der Gasturbine sitzenden Laufschaufeln erfolgt die Zufuhr des Kühlfluids meist durch Kühlfluidbohrungen, die radial durch das Innere der den Rotor bildenden Rotorscheiben verlaufen. Fig. 1zeigt in einem Ausschnitt einen Teil einer solchen Rotorscheibe 10, an deren Aussenumfang über den Umfang verteilt einzelne, in axialer Richtung orientierte Befestigungsnuten 11 angeordnet sind, die üblicherweise eine tannenbaumartige Querschnittskontur aufweisen, um die Füsse von den an der Rotorscheibe befestigten Laufschaufeln aufnehmen.

[0004] Die Kühlfluidzufuhr 12 erfolgt bei dieser bekannten Kühlungskonfiguration von einem innenliegenden Plenum beziehungsweise Kühlfluidverteilraum aus durch entsprechende Kühlfluidbohrungen 13 ́, die, vom Plenum ausgehend radial Rotorscheibe 10 verlaufen und ihren Austritt 14 ́ am Nutgrund der zugehörigen Befestigungsnut 11 haben. Durch die Kühlfluidbohrungen 13 ́ strömt Kühlfluid 15 zum Nutgrund der Befestigungsnuten 11 und tritt dort in den Schaufelfuss der zugehörigen Laufschaufel ein (siehe z.B. auch die Druckschrift EP 1094 199 A1).

[0005] Nachteil dieser Art der Kühlfluidzufuhr ist es, dass aufgrund der aus der hohen Umfangsgeschwindigkeit des Rotors resultierenden Tangentialspannungen und der Kerbwirkung am Bohrungsaustritt eine Spannungskonzentration auftritt, die sich nachteilig auf die Lebensdauer des Rotors auswirkt.

[0006] Aus der Druckschrift GB 701,154 ist andererseits eine Rotorkonfiguration bekannt, bei der die Rotorscheiben am Aussenumfang nicht mit Nuten zur Aufnahme der Laufschaufeln, sondern mit nach aussen vorstehenden Schienen («projections 11») ausgestattet sind, auf welche die Laufschaufeln mit entsprechenden Nuten in den Schaufelfüssen aufgeschoben werden. Bei dieser speziellen Art der Schaufelbefestigung erfolgt die Kühlfluidzufuhr durch Bohrungen (11a), die zentral in den Schienen enden, um einen zentralen Zugang zu den Laufschaufeln zu erhalten. Festigkeitsüberlegungen spielen dabei erkennbar keine Rolle. Die Platzierung der Kühlfluidbohrungen gehorcht ausschliesslich der Geometrie der Anordnung.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0007] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der mit der Kühlfluidzufuhr im Nutgrund verbundenen mechanischen Schwächung zu vermeiden.

[0008] Es ist eine andere Aufgabe, eine Rotorscheibe anzugeben, welche mit dieser mechanischen Schwächung nicht belastet ist.

[0009] Diese und andere Aufgaben werden durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst.

[0010] Die Erfindung geht aus von einer Rotorscheibe für eine Turbine,, welche an ihrem äusseren Umfang eine Mehrzahl von verteilt angeordneten, im Wesentlichen in axialer Richtung orientierten und in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Befestigungsnuten zur Aufnahme von intern gekühlten Laufschaufeln aufweist, die jeweils mit einem Schaufelfuss in eine der Befestigungsnuten eingesetzt werden, wobei in radialer Richtung durch die Rotorscheibe Kühlfluidbohrungen verlaufen, durch die den Laufschaufeln Kühlfluid zugeführt wird.

[0011] Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen und zur Verlängerung der Lebensdauer des Rotors die Kühlfluidbohrungen so durch die Rotorscheibe geführt sind, dass ihr Austritt auf der Aussenseite der Rotorscheibe jeweils zwischen benachbarten Befestigungsnuten angeordnet ist.

[0012] Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass pro Laufschaufel eine Kühlfluidbohrung vorgesehen ist.

[0013] Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind pro Laufschaufel mindestens zwei Kühlfluidbohrungen vorgesehen.

[0014] In einer Ausführung sind vorzugsweise pro Laufschaufel zwei Kühlfluidbohrungen vorgesehen, wobei die beiden Kühlfluidbohrungen in Umfangsrichtung vor und hinter der zugehörigen Laufschaufel angeordnet sind.

[0015] Dabei können die beiden Kühlfluidbohrungen einer Laufschaufel in axialer Richtung auf derselben Höhe angeordnet sein.

[0016] Es ist aber auch denkbar, dass die eine der beiden Kühlfluidbohrungen einer Laufschaufel in axialer Richtung im vorderen Bereich der Laufschaufel und die andere im hinteren Bereich der Laufschaufel angeordnet ist.

[0017] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsnuten und die Schaufelfüsse eine aufeinander abgestimmte tannenbaumartige Querschnittskontur aufweisen.

[0018] Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Kühlfluidbohrungen jeweils einen sich zum äusseren Umfang der Rotorscheibe hin erweiternden Aufweitungsabschnitt aufweisen.

[0019] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Laufschaufeln jeweils eine Plattform aufweisen, die bei in die Befestigungsnut eingesetzter Laufschaufel einen Abstand zur Umfangsfläche der Rotorscheibe hat und zwischen sich und der Umfangsfläche der Rotorscheibe jeweils einen Kühlfluidverteilraum bildet, dass die Kühlfluidbohrungen mit ihrem Austritt in die Kühlfluidverteilräume münden, von wo aus das durch die Kühlfluidbohrungen herangeführte Kühlfluid in das Innere der Laufschaufeln eintritt.

[0020] Insbesondere können zwischen den Plattformen benachbarter Laufschaufeln in axialer Richtung verlaufende, vorzugsweise streifenförmige, Dichtungen angeordnet sein, welche den Kühlfluidverteilraum vom darüber liegenden Heissgaskanal trennen.

[0021] In einer Ausführung werden durch eine Bohrung mindestens zwei Schaufeln mit Kühlfluid versorgt. In einer weiteren Ausführung werden die mindestens zwei Schaufeln durch eine Bohrung mit Kühlfluid versorgt und das Kühlfluid über ein in den Schaufelplattformen integriertes Plenum zu den Schaufeln verteilt.

[0022] Die erfindungsgemässe Gasturbine hat einen Rotor, welcher Rotorscheiben mit einer Mehrzahl von intern gekühlten Laufschaufeln umfasst. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor nach der Erfindung ausgebildet ist.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0023] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Beispiele zeigen eine Gasturbinenrotorscheibe mit Kühlluftlöchern. Als Kühlfluid kann Anstelle von Luft ein anderes Gasgemisch, wie z.B. rezirkuliertes Abgas, Dampf oder einer Mischung aus verschiedenen Kühlgasen genutzt werden. Die Erfindung ist ausserdem auch für andere gekühlte Rotoren, wie dampfgekühlte Rotoren von Dampfturbinen anwendbar. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>in einem Ausschnitt einen Teil einer Rotorscheibe einer Gasturbine mit im Nutboden endenden Kühlluftbohrungen nach dem Stand der Technik; <tb>Fig. 2<sep>in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung einen Teil einer Rotorscheibe einer Gasturbine mit am Aussenumfang endenden Kühlluftbohrungen gemäss einer Ausführungsform der Erfindung; <tb>Fig. 3-5<sep>in der Draufsicht von oben bzw. in der Seitenansicht (Fig. 3(b)) verschiedene Ausführungsbeispiele für Zuordnungen zwischen Kühlluftbohrungen und Laufschaufeln nach der Erfindung; <tb>Fig. 6<sep>in der Draufsicht von oben einen Ausschnitt aus einer Rotorscheibe mit mehreren Laufschaufeln und auf Lücke angeordneten Kühlluftbohrungen gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und <tb>Fig. 7<sep>die Anordnung nach Fig. 6in axialer Richtung gesehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0024] Gemäss der Erfindung wird der Austritt der Kühlluftbohrungen an den Aussenumfang der Rotorscheibe verlegt, wo die tangentialen Spannungen praktisch verschwinden, was zu einer deutlich verbesserten Lebensdauer des Rotors führt.

[0025] Fig. 2 zeigt im Vergleich zu Fig. 1 diese Verlegung der Kühlluftbohrungen: Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 verlaufen die Kühlluftbohrungen 13 von der Kühlluftzufuhr 12 bis zum Austritt 14, der an der Umfangsfläche der Rotorscheibe 10 liegt. Entsprechend tritt die Kühlluft 15 neben dem in der Befestigungsnut 11 sitzenden Schaufelfuss aus.

[0026] Ausgehend von dieser Grundkonfiguration sind verschiedene Varianten denkbar, die in den Fig. 3-7 dargestellt sind.

[0027] Gemäss Fig. 3 (a) besteht eine Variante darin, pro Laufschaufel 16 eine Kühlluftbohrung 21 in der Rotorscheibe vorzusehen. Die Laufschaufel 16 hat ein Schaufelblatt 17 mit einer Vorderkante 18 und einer Hinterkante 19, das zum Schaufelfuss hin in eine Plattform 20 übergeht. Die Kühlluftbohrung 21 (gestrichelt in Fig. 3 (a)) mündet hier unter der Plattform 20 neben einer Seite des Schaufelblattes 17. Wie der in Fig. 3(b) dargestellte Schnitt in der Ebene A-A zeigt, geht die Kühlluftbohrung 21 nach aussen zu in einen Aufweitungsabschnitt 22 über, der «diffusorartig» ausgebildet ist.

[0028] In Fig. 4 ist eine andere Variante dargestellt, bei der pro Laufschaufel 16 zwei Kühlluftbohrungen 21a und 21b in der Rotorscheibe vorgesehen sind, die unter der Plattform 20 auf beiden Seiten neben dem Schaufelblatt 17 münden. Die Kühlluftbohrungen 21a und 21b haben wiederum entsprechende Aufweitungsabschnitte 22a und 22b, wie in Fig. 3(b) gezeigt. Auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind pro Laufschaufel 16 zwei Kühlluftbohrungen 21 a und 21b mit Aufweitungsabschnitten 22a und 22b vorgesehen, die unter der Plattform 20 auf beiden Seiten des Schaufelblattes 17 münden, wobei eine Kühlluftbohrung, 21b, dem vorderen Bereich des Schaufelblattes 17 und eine, 21a, dem hinteren Bereich des Schaufelblattes 17 zugeordnet ist.

[0029] Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6und 7 sind pro Schaufelpaar zwei Kühlluftbohrungen 23 in der Rotorscheibe 10 vorgesehen, die in der Mitte zwischen den Plattformen 20 zweier benachbarter Laufschaufeln 16 münden. Unter den von der Umfangsfläche der Rotorscheibe 10 beabstandeten Schaufel-Plattformen 20 ist ein Kühlluftverteilraum (Plenum) 26 ausgebildet, durch den die Kühlluft aus den Kühlluftbohrungen 23 in die Laufschaufeln 16 strömt (die Kühlluftführung in der Schaufel selbst ist nicht gezeigt). Der Kühlluftverteilraum (Plenum) 26 ist durch streifenförmige Dichtungen 24 vom darüber liegenden Heissgaskanal getrennt. Die Laufschaufeln 16 sind mit tannenbaumförmigen Schaufelfuss 25 in die entsprechenden Befestigungsnuten 11 der Rotorscheibe 10 eingeführt.

[0030] Bei den Ausführungen gemäss Fig. 3bis 5ist eine Kühlluftführung in der Plattform 20 denkbar. Dafür ist eine Dichtung zwischen dem Austritt der Kühlluftbohrung aus der Rotorscheibe und der Plattform vorzusehen (nicht gezeigt), die den Anschluss zwischen beiden sicherstellt. Dies kann beispielsweise ein Dichtring sein, der den Austritt umgibt.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0031] <tb>10<sep>Rotorscheibe <tb>11<sep>Befestigungsnut (Laufschaufel) <tb>12<sep>Kühlluftzufuhr, Kühlfluidzufuhr <tb>13,13 ́<sep>Kühlluftbohrung, Kühlfluidbohrung <tb>14,14 ́<sep>Austritt (Kühlluftbohrung, Kühlfluidbohrung) <tb>15<sep>Kühlluft, Kühlfluid <tb>16<sep>Laufschaufel <tb>17<sep>Schaufelblatt <tb>18<sep>Vorderkante <tb>19<sep>Hinterkante <tb>20<sep>Plattform <tb>21,21a,b<sep>Kühlluftbohrung, Kühlfluidbohrung <tb>22,22a,b<sep>Aufweitungsabschnitt <tb>23<sep>Kühlluftbohrung, Kühlfluidbohrung <tb>24<sep>Dichtung <tb>25<sep>Schaufelfuss <tb>26<sep>Kühlluftverteilraum (Plenum), Kühlfluidverteilraum

Claims (15)

1. Rotorscheibe (10), welche an ihrem äusseren Umfang eine Mehrzahl von verteilt angeordneten, im Wesentlichen in axialer Richtung orientierten und in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Befestigungsnuten (11) zur Aufnahme von intern gekühlten Laufschaufeln (16) aufweist, die jeweils mit einem Schaufelfuss (25) in eine der Befestigungsnuten (11) eingesetzt werden, wobei in radialer Richtung durch die Rotorscheibe (10) Kühlfluidbohrungen (13; 21; 21a,b; 22; 22a,b; 23) verlaufen, durch die den Laufschaufeln (16) Kühlfluid (15) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen und zur Verlängerung der Lebensdauer des Rotors die Kühlfluidbohrungen (13; 21; 21 a,b; 22; 22a,b; 23) so durch die Rotorscheibe (10) geführt sind, dass ihr Austritt (14) auf der Aussenseite der Rotorscheibe (10) jeweils zwischen benachbarten Befestigungsnuten (11) angeordnet ist.

2. Rotorscheibe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Laufschaufel (16) eine Kühlfluidbohrung (13; 21; 22; 23) vorgesehen ist.

3. Rotorscheibe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Laufschaufel (16) mindestens zwei, Kühlfluidbohrungen (21a,b; 22a,b) vorgesehen sind.

4. Rotorscheibe (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass pro Laufschaufel (16) zwei Kühlfluidbohrungen (21a,b; 22a,b) vorgesehen sind, und dass die beiden Kühlfluidbohrungen (21a,b; 22a,b) in Umfangsrichtung vor und hinter der zugehörigen Laufschaufel (16) angeordnet sind.

5. Rotorscheibe (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kühlfluidbohrungen (21a,b; 22a,b) einer Laufschaufel (16) in axialer Richtung auf derselben Höhe angeordnet sind.

6. Rotorscheibe (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine der beiden Kühlfluidbohrungen (21a,b; 22a,b) einer Laufschaufel (16) in axialer Richtung im vorderen Bereich der Laufschaufel (16) und die andere im hinteren Bereich der Laufschaufel (16) angeordnet ist.

7. Rotorscheibe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsnuten (11) und die Schaufelfüsse (25) eine aufeinander abgestimmte tannenbaumartige Querschnittskontur aufweisen.

8. Rotorscheibe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluidbohrungen (21, 22; 21a,b, 22a,b) jeweils einen sich zum äusseren Umfang der Rotorscheibe (10) hin erweiternden Aufweitungsabschnitt (22, 22a,b) aufweisen.

9. Rotorscheibe (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlfluidbohrung (13; 21; 22; 23) zur Versorgung von mindestens zwei Laufschaufel (16) vorgesehen ist.

10. Rotorscheibe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (16) jeweils eine Plattform (20) aufweisen, die bei in die Befestigungsnut (11) eingesetzter Laufschaufel (16) einen Abstand zur Umfangsfläche der Rotorscheibe (10) hat und zwischen sich und der Umfangsfläche der Rotorscheibe (10) jeweils einen Kühlfluidverteilraum (26) bildet, dass die Kühlfluidbohrungen (13; 21; 21a,b; 22; 22a,b; 23) mit ihrem Austritt (14) in die Kühlfluidverteilräume (26) münden, von wo aus das durch die Kühlfluidbohrungen (13; 21; 21a,b; 22; 22a,b; 23) herangeführte Kühlfluid (15) in das Innere der Laufschaufeln (16) eintritt.

11. Rotorscheibe (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Plattformen (20) benachbarter Laufschaufeln (16) in axialer Richtung verlaufende, vorzugsweise streifenförmige, Dichtungen (24) angeordnet sind, welche den Kühlfluidverteilraum (26) vom darüber liegenden Heissgaskanal trennen.

12. Rotor für eine Turbine umfassend mindestens eine Reihe von intern gekühlten Laufschaufeln (16) mit tannenbaumförmigen Schaufelfüssen (25) und eine Rotorscheibe (10), welche an ihrem äusseren Umfang eine Mehrzahl von verteilt angeordneten, im Wesentlichen in axialer Richtung orientierten und in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Befestigungsnuten (11) zur Aufnahme der intern gekühlten Laufschaufeln (16) aufweist, die jeweils mit einem tannenbaumförmigen Schaufelfuss (25) in eine der Befestigungsnuten (11) eingesetzt werden, wobei in radialer Richtung durch die Rotorscheibe (10) Kühlfluidbohrungen (13; 21; 21a,b; 22; 22a,b; 23) verlaufen, durch die den Laufschaufeln (16) Kühlfluid (15) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen und zur Verlängerung der Lebensdauer des Rotors die Kühlfluidbohrungen (13; 21; 21 a,b; 22; 22a,b; 23) so durch die Rotorscheibe (10) geführt sind, dass ihr Austritt (14) auf der Aussenseite der Rotorscheibe (10) jeweils zwischen benachbarten Befestigungsnuten (11) angeordnet ist.

13. Rotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass pro intern gekühlten Laufschaufel (16) einer Schaufelreihe eine Kühlfluidbohrung (13; 21; 22; 23) in der Rotorscheibe(IO) vorgesehen ist.

14. Rotorscheibe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass pro intern gekühlten Laufschaufel (16) einer Schaufelreihe mindestens zwei, Kühlfluidbohrungen (21a,b; 22a,b) vorgesehen sind.

15. Turbine mit einem Rotor, welcher Rotorscheiben (10) mit einer Mehrzahl von intern gekühlten Laufschaufeln (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor nach einem der Ansprüche 1-11 ausgebildet ist.