CN101010486B - 涡轮机及涡轮机的转子 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡轮机的转子(3)，它设有一个与旋转轴线同轴地布置的空心轴(13)，该空心轴在两侧的端侧支撑在转子(3)的两个沿轴向对置的部段上，以及包围一个内部空腔(51)。为了提供一种具有较长使用寿命且相对而言较少产生机械缺陷的涡轮机转子(3)，建议，空心轴由多个相邻的环(43)沿转子(3)的轴向形成，并且这些环(43)彼此之间以及相对于所述部段向外密封空腔(51)。所述每个环的横截面设计成I形，该I形的桥接部段沿转子的径向延伸。

Description

涡轮机及涡轮机的转子

技术领域

本发明涉及一种涡轮机的转子，它具有一个与旋转轴线同轴地布置的空心轴，该空心轴在两侧的端侧支撑在转子的两个沿轴向对置的部段上，包围一个内部中央的空腔并由多个相邻的环沿着转子的轴向构成，因此相邻并靠在所述部段上的环向外限制出所述空腔。此外，本发明涉及一种具有这种转子的涡轮机。

背景技术

燃气轮机和它的工作方式通常是公知的。这里，图4示出了一种燃气轮机1，该燃气轮机1具有沿着一个绕旋转轴线2旋转支撑的转子3布置的压缩机5、燃烧室6和透平单元11。在压缩机5及透平单元11中，若干导向叶片12、35固定在壳体上以及工作叶片15、37固定在转子3上，分别形成叶片圈17、19、36、38。导向叶片圈19、36与工作叶片圈17、38一起形成了压缩机级21或者透平级34，其中多个级相继地设置。工作叶片圈17、38的工作叶片15借助一个环形的、在中央打孔的盘26、39固定在转子3上。中央拉杆7沿着轴向延伸通过所述中央孔，该拉杆7使透平盘39和压缩机盘26相互张紧。此外，在压缩机5和透平单元11之间，即在后一个压缩机级21的压缩机盘26和第一涡轮级34的透平盘39之间布置一个空心轴13，以搭接由燃烧室6所产生的距离。

在燃气轮机1工作时，压缩机5吸入环境空气并且将其压缩。经压缩的空气与燃料相混合并被供入到燃烧室6中，在该燃烧室内该混合物被燃烧成热的工作介质M。该工作介质从燃烧室6流出到透平单元11中并且借助工作叶片15来驱动燃气轮机1的转子3，该转子3驱动压缩机5和一作功机器、如发电机。

作用在透平单元的工作叶片上的、由工作介质所产生的扭矩作为有效能量被传递到发电机上并且用作为驱动能量被传递到压缩机中以用于压缩环境空气。因此，空心轴必须将为压缩压缩机中环境空气所必需的驱动能量从第一透平级的透平盘传输到最后的压缩机级的压缩机盘上。

燃气轮机内部的这种布局结构使得空心轴承受的机械负荷特别高。这种负荷可以导致蠕变变形和缺陷，而这又会导致转子的使用寿命降低。

此外，燃气轮机的燃烧室在径向上与空心轴相邻，在工作时，燃烧室会不可靠地加热转子的这个轴向区域。因此也会产生热负荷，该热负荷会减弱空心轴的强度和刚度，因此所产生的机械负荷会导致空心轴材料的提前疲劳。

此外，在GB836920中公开了一种压缩机的转子，该转子由多个沿轴向相邻且张紧的压缩机盘构成。压缩机盘具有中央孔，这些压缩机盘构成了空心轴。

此外，GB661078公开了一种燃气轮机转子的空心轴，该空心轴由在径向上位于燃烧室内部的两个相邻设置的管子构成。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种涡轮机的转子，该转子具有较长的使用寿命且较少产生机械缺陷。此外，本发明所要解决的技术问题是为此提供一种涡轮机。

上述技术问题首先通过这样一种涡轮机的转子来解决，该转子具有一个与其旋转轴线同轴地布置的空心轴，该空心轴在两侧的端侧支撑在转子的两个沿轴向对置的部段上，并包围一个内部空腔，并且沿着转子的轴向由多个相邻的环构成，使得相邻并靠在所述部段上的环向外限定出所述空腔的边界，其特征在于，所述每个环的横截面设计成I形，该I形形状的桥接部段沿所述转子的径向延伸；在所述桥接部段的每个端部相应地布置一个沿着轴向延伸的法兰，使得在两个相邻的环之间以及在其径向内侧的法兰与其径向外侧的法兰之间形成另外的空腔。

关于转子，本发明通过本文开头所述类型的转子建议，每个环的横截面设计成I形，该I形的桥接部段沿转子的径向延伸。

本发明从这样的考虑出发，即，在燃烧室区域内承受高的机械负荷和热负荷的空心轴通过多个相邻设置的、在轴向上相对较短的环来代替。通过这种基本的结构改造可以使机械应力明显减小。在材料温度较高的所述环的区域(这种较高的材料温度是由于在径向上设置在更外侧的燃烧室形成的)内，可以减小应力以及减小因此可能产生的蠕变变形。由此，各个环的使用寿命得到延长。

迄今为止，空心轴由于传输压缩机所需要的能量而沿其轴向长度尤其承受扭转负荷。借助本发明，环的轴向长度与迄今的空心轴的结构长度相比大大地缩短了，因此每个环承受的扭转应力明显减小了。因此，通过本发明，进一步减小了机械负荷。

此外，具有沿着径向延伸的桥接部段的环通过中间连接的另外空腔可以使中央空腔相对于在径向更外侧的外侧区域更好地绝热，使得空腔内的更冷的空气到达构件的表面。因此，在涡轮机运行时，具有特别高机械负荷的这些区域在蠕变所需要的过渡温度(活化能量)之下工作，因此特别在此位置可以避免蠕变变形。确切地说，进一步减小了所述环的热负荷，而该热负荷可能会导致较高的机械负荷。

此外，所述环的I形横截面使得这些环具有特别高的刚度、特别轻且能承受机械负荷的结构。

此外，可以考虑采用通常的用于降低制造成本的措施，因为与在现有技术中用于一体式空心轴的材料相比，由于应力更小，因而对于所述环而言可以使用廉价的材料、例如26NiCrMo26145mod。

根据本发明的一种扩展设计，所述转子具有至少一个平行于所述旋转轴线延伸的拉杆。转子的所述部段分别由盘构成，其中，所述至少一个用于张紧所述盘和所述环的拉杆延伸通过这些盘。转子的这种组件形式的结构使得可以在所述环或盘上有可能出现缺陷的情况下替换相关的构件。

在本发明的一项特别有利的扩展设计中，拉杆从中央延伸通过所述盘和环。因此，与旋转轴线同心布置的拉杆将压缩机和透平单元的堆叠的环和盘张紧，并同时用于沿轴向和径向支撑所述转子。

在一项有利的扩展设计中，所述转子具有多个与所述旋转轴线间隔一定距离的拉杆，这些拉杆延伸通过所述盘和环。因此也可以将多件式结构的空心轴用在那些通过多个拉杆张紧的转子上。

根据一种特别优选的扩展设计，每个环和每个部段具有用于将该转子的扭矩从所述两个部段中的一个传递到相对置的另一个部段上的形面接合装置。因此可以有效地防止公知为滑动的、带损失的、沿圆周方向在紧邻的环之间或者在环和所述部段之间的相对运动。

相宜地，所述用于将扭矩传递到所述环的端面和所述部段的端面的装置按照切端面齿(Hirthverzahnung)的形式设计为端面制齿。这种形面接合的制齿实现转子无滑动地运行。尤其，在所述两个部段中的一个设计为压缩机盘而另一个设计为透平盘时，在压缩机中借助所述在透平单元和压缩机之间设置的环可以无损失地将对所吸入的环境空气进行压缩所需要的功率从透平单元传输到压缩机上。

在一项特别有利的扩展设计中，在所述桥接部段的每个端部相应地布置一个沿轴向延伸的法兰，使得在两个相邻的环之间以及在其径向内法兰与其径向外侧的法兰之间形成另外的空腔。这可以使在燃烧室区域内在径向上处于外侧且相对较热的外侧区域与由所述环包围的中央空腔在空间上分离开。可以降低从所述外侧区域向所述环、尤其向环的径向内法兰中的热量输入，因为所述另外的空腔使所述中央空腔与外侧区域隔绝，使得空腔内的更冷的空气出现在构件的表面上。

与所述另外的空腔是否用作不流通的隔离腔或者用于引导另一种冷却流体无关，这些另外的空腔至少部分地通过位于所述桥接部段中的通道相互流体连通。两个相邻的另外空腔之间的连接或者导致更快速和更均匀的隔热效果，或者在可将压缩空气形式的冷却介质从压缩机侧供入到所述另外的空腔中并且可在透平侧取出时用作冷却介质的连接通道。在此在压缩机中压缩空气通过设置在转子中的取出孔来实现，或者在压缩机之后通过合适的装置来实现。

这些设计分别导致所述环材料的温度降低，从而避免有害的蠕变变形。

此外，冷却介质可沿轴向流过所述空腔。其中所述环和所述部段具有用于密封所述空腔的迷宫式密封件。由于这些环彼此之间以及相对于所述部段将所述空腔相对于外部密封，因此冷却空气可从压缩机通过空腔无损失地被导引到透平单元，而不会产生泄漏。其中，密封件可以设置在所述环的法兰上，而在该法兰上不设置用于传递扭矩的装置。因此，所述环的一个传递扭矩的法兰的径向材料厚度设计成相对较宽，而另一个仅用于相对于外部密封所述空腔及构成另外的空腔的法兰设计成相对较窄。

此外，冷却空气对所述环进行冷却，使得平均的构件温度降低了。

本发明还相应地提供一种具有上述转子的涡轮机。

有利的扩展设计是，涡轮机设计为燃气轮机，以及其中燃气轮机沿转子相继地具有压缩机、至少一个燃烧室和透平单元，其中所述两个部段中的一个通过布置在压缩机中的压缩机盘构成，而另一个部段通过布置在透平单元中的透平盘构成。

另外，针对转子所描述的优点实质上同样适用于涡轮机。

附图说明

借助于附图对本发明进行描述。附图中：

图1以位于压缩机和透平单元之间的区域内的纵向剖视图示出了具有中央拉杆的燃气轮机的转子；

图2以位于压缩机和透平单元之间的区域内的纵向剖视图示出了具有多个拉杆的燃气轮机的转子；

图3以位于压缩机和透平单元之间的区域内的纵向剖视图示出了具有中央拉杆的燃气轮机的另一种结构的转子；及

图4以纵向局部剖视图示出了按照现有技术的燃气轮机。

具体实施方式

图4示出了根据先前所述的背景技术所设计的燃气轮机1。

图1以位于压缩机5和透平单元11之间的区域的纵剖视图示出了具有中央拉杆7的燃气轮机1的转子3。由压缩机5表示出只具有最后压缩机级21的流动通道23。沿可着绕旋转轴线2旋转的转子3，在压缩机出口25之后的是扩散器27和燃烧室29。该燃烧室具有燃烧腔31，该燃烧腔31通到透平单元11的热气通道33中。

在压缩机5的流动通道23中，防旋转的导向叶片12固定在凸缘19上。在它们之前是工作叶片15，这些工作叶片15借助压缩机盘26安装在转子3上。

热气通道33具有导向叶片35和其它的下游工作叶片37。固定的导向叶片35与燃气轮机1的壳体相连，而工作叶片37固定在透平盘39上。

代替背景技术中所公知的一体式空心轴，转子3在压缩机盘26和透平盘39之间具有三个沿轴向相继接连的环43。在此，每个环43的横截面为I形，使得两个沿拉杆7轴向延伸的法兰45、46通过一个沿径向延伸的桥接部段47相互连接。

在中央拉杆7外圆周与一个由径向内侧的法兰46所形成的内表面49之间形成一个沿着轴向延伸的中央空腔51，该空腔51适合于引导冷却流体如压缩空气。在图1所示的、具有中央拉杆7的转子3的结构中，空腔51的横截面为环形。

在沿径向位于外侧的法兰45的端面55上设置切端面齿，借助于切端面齿将转子3的扭矩从透平盘39通过环43传递到压缩机盘26上。为此，透平盘39和压缩机盘26的端面57同样也具有切端面齿。

环43的沿径向位于内侧的法兰46在其端面59上具有迷宫式密封件62，该密封件将空腔51相对于外部区域61密封。

由于位于外侧的法兰45将扭矩从一个端面55传递到与其对置的端面55上，因此与只带有密封件62的内侧法兰46相比，外侧的法兰45沿径向具有更大的宽度。

在燃气轮机1工作时，空气在压缩机5的流动通道23内被压缩机5压缩，其中一部分压缩空气作为冷却空气通过盘孔24被取出并且按照箭头63沿着拉杆7从空腔51的压缩机侧的端部被引导到透平侧的端部。在透平盘39中设置在从内径到外径的盘孔24把冷却空气引导到第一透平级34的工作叶片37。冷却空气使工作叶片37冷却，之后逸出到热气通道33中。

设置在拉杆7和盘26、39之间的迷宫式密封件65和密封件62防止冷却空气从所述空腔51中逸出。

图2以在压缩机5与透平单元11之间区域内的纵向剖视图示出了具有多个拉杆8的燃气轮机1的转子3。

如图1一样，图2示出了压缩机5、燃烧室6、透平单元11和由压缩机盘26、透平盘39和环43组装而成的转子3。取代图1所示的中央拉杆7，在图2中示出了相对于旋转轴线2隔开一定距离的、偏心的多个拉杆8中的一个。其中，偏心拉杆8这样地相对于旋转轴线2隔开一定的距离，即，使得环43的桥接部段47被它穿过。此外，也可以如此地选择该距离，即，使得拉杆8穿过环的法兰45。

与图1不同的是，图3示出了一个由中央拉杆张紧的转子，在该转子中，例如在布置于压缩机侧的环43的一个沿径向在外侧的法兰45中可以设置若干孔71，较冷的压缩机空气还可以通过所述孔71被引入到一个沿径向在内侧的法兰46与沿径向在外侧的法兰45之间形成的空腔66″中。这导致更均匀、快速地调节转子3的温度，这可以被充分用于积极地影响由工作叶片和导环所形成的径向间隙。流入到所述另外空腔66″中的冷却空气朝透平单元方向通过位于桥接部段47中的通道72并进一步通过盘孔24被引导到第一透平级的透平叶片27，在那里它可用作冷却空气。

对于这种情况，中央空腔51作为用于第二透平级34的透平叶片37的冷却空气的供给通道。

任选的是，在压缩机盘26与靠在它上的环43的径向内侧的法兰46之间具有空隙69，从而有针对性地将冷却空气供给到一个由法兰45、46在径向上限定出其边界的另一个空腔66′中。

Claims (15)

1.一种涡轮机的转子(3)，它具有一个与其旋转轴线同轴地布置的空心轴(13)，该空心轴在两侧的端侧支撑在转子(3)的两个沿轴向对置的部段上，并包围一个内部空腔(51)，并且沿着转子(3)的轴向由多个相邻的环(43)构成，使得相邻并靠在所述部段上的环向外限定出所述空腔(51)的边界，其特征在于，所述每个环(43)的横截面设计成I形，该I形形状的桥接部段(47)沿所述转子(3)的径向延伸；在所述桥接部段(47)的每个端部相应地布置一个沿着轴向延伸的法兰(45、46)，使得在两个相邻的环(43)之间以及在其径向内侧的法兰(46)与其径向外侧的法兰(45)之间形成另外的空腔(66)。

2.按照权利要求1所述的转子(3)，其特征在于，所述转子(3)具有至少一个平行于所述旋转轴线延伸的拉杆(7、8)，并且该转子(3)的所述部段分别由盘(26、39)构成，其中，所述至少一个用于张紧所述盘(26、39)和所述环(43)的拉杆(7、8)延伸通过这些盘和环。

3.按照权利要求2所述的转子(3)，其特征在于，所述拉杆(7)在中央延伸通过所述盘(26、39)和环(43)。

4.按照权利要求2所述的转子(3)，其特征在于，所述转子(3)具有多个与所述旋转轴线间隔一定距离的拉杆(8)，这些拉杆延伸通过所述盘(26、39)和环(43)。

5.按照权利要求1、2、3或4所述的转子(3)，其特征在于，每个环(43)和每个部段具有用于将该转子(3)的扭矩从所述两个部段中的一个传递到相对置的部段上的形面接合装置。

6.按照权利要求5所述的转子(3)，其特征在于，所述的用于将扭矩传递到所述环(43)的端面(55)和所述部段的端面的装置按照切端面齿的形式设计。

7.按照权利要求1至4中任一项所述的转子(3)，其特征在于，所述另外的空腔(66)设计用于引导冷却流体。

8.按照权利要求7所述的转子，其特征在于，所述空腔(66)至少部分地通过位于所述桥接部段(47)中的通道(72)相互流体连通。

9.按照权利要求7所述的转子，其特征在于，可将作为冷却流体的压缩空气供入到所述的另外的空腔(66)中，并且可以在透平级的区域内将其取出。

10.按照权利要求1至4中任一项所述的转子(3)，其特征在于，所述环(43)在其相对置的法兰(45)上具有其上设有切端面齿的区域。

11.按照权利要求1至4任一项所述的转子(3)，其特征在于，冷却流体可沿轴向流过所述空腔(51)，且所述环(43)和所述部段具有用于密封所述空腔(51)的迷宫式密封件。

12.按照权利要求2至4任一项所述的转子(3)，其特征在于，该转子(3)的所述部段由压缩机盘(26)和透平盘(39)构成。

13.一种具有转子(3)的涡轮机，其特征在于，该转子(3)根据权利要求1至11中任一项设计。

14.按照权利要求13所述的涡轮机，其特征在于，该涡轮机设计为燃气轮机(1)。

15.按照权利要求14所述的涡轮机，其特征在于，燃气轮机(1)沿着转子(3)相继地具有压缩机(5)、至少一个燃烧室(6)和透平单元(11)，其中所述两个部段中的一个由布置在压缩机(5)中的压缩机盘(26)构成，而另一个部段由布置在透平单元(11)中的透平盘(39)构成。

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