CN101631932A - 燃气轮机的转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热流体机械、尤其是燃气轮机的转子(2)，其包括一定数量的通过锚杆(4)固紧并组合成一个单元的单个转子件(6)，按照本发明即使燃气轮机结构长度增大，仍应保证可靠和安全地运行。在这里，锚杆(4)的固有频率与涡轮机转速相比朝频率更高的方向转移。为此目的，锚杆(4)通过周围的一些包括锚杆和转子盘的转子组成部分的联合体支承。与两件式的空心轴(11)相结合，支承轮表示另一个支承的转子组成部分。

Description

燃气轮机的转子

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的转子。此外本发明还涉及一种具有这样转子的热流体机械。

背景技术

蒸汽和燃气轮机以及回转式压气机均属于热流体机械。它们通常具有一个被固定的机匣围绕的可旋转地支承的转子。热流体机械的固定的结构组件还总称为定子。在转子与定子之间，布设沿流体机械轴向延伸的流动通道，用于流通可压缩的流动介质。在转子上，通常固定伸入到流动通道内的以及组合成叶片组或叶片排的工作叶片。在是发动机的情况下，例如是燃气轮机时，工作叶片用于通过传递高温和处于压力状态下的流动介质的冲量来驱动转子轴。因此流动介质的热能在其膨胀时转化为机械能，机械能可被利用于例如驱动发电机。

反之，在是属于作工机械的回转式压气机的情况下，转子轴例如由电动机或内燃机或通过其他方式驱动。设在转子上的工作叶片在这里用于压缩处于流动通道中的流动介质，在此过程中流动介质同时加热。因此机械能转化为流动介质的热能。

燃气轮机的转子通常遭受高的机械载荷和热负荷。在燃气轮机运行期间尤其由于工质的高温和作用在转子上的力，使构成转子的那些转子组成部分产生大的应力。为了尽管如此一方面能保证工作可靠性，以及另一方面将转子的生产成本保持在可以接受的范围内，过去曾建议多种结构设计的可能性。

转子的一种建议的实施形式，例如是可通过单个构件实现其制造。但是这种制造方法的生产过程比较复杂。尤其不可能与订货无关地预制以及各单个部分也不可能同时加工，所以需要长的连续生产时间。此外，必须容忍相邻工作叶片环之间较大的轴向距离，为的是能用相应的刀具加工为固定叶片所必要的轮廓形状。然而，这种工作叶片环之间因加工引起的比较大的距离，恶化了转子动力学特性。

此外还已知，由一个个转子件组合而成的燃气轮机转子，其中，各个转子件借助锚杆组合在一起。为此每个转子件具有一个轴向延伸的孔，拉紧的锚杆可延伸穿过它们。通过在端侧旋紧在锚杆上的螺母可以将锚杆拉紧，由此可以使在端面彼此贴靠的转子件互相夹紧。因此转子件被锚杆互相压紧，以及通过所谓的端面齿传递作用在它们上的旋转力，制在各自端侧的端面齿在两个相互贴靠的转子件之间形成形状封闭连接。

燃气轮机的转子在端侧通过适用的轴承安装在涡轮机的机匣内。也可以取代螺母，在锚杆端侧的外面旋上结构复杂的构件，它们除了压紧转子件外还可以实现其他功能，例如将转子支承在径向和/或止推轴承中。

但是在燃气轮机运行期间在转子内产生振动，其频率主要取决于两个止推轴承的间距，也就是说与转子的自由振动长度有关，在这种结构形式中主要取决于锚杆的自由振动长度。随着燃气轮机结构长度的不断增加，锚杆的自由振动长度也增大，从而导致其固有频率向较低的水平转移，靠近转子部件的旋转频率。在燃气轮机运行期间频率的转移可导致不允许的大振幅，其结果是可影响转子的功能和造成涡轮机损坏。

值得期望的是，即使在涡轮机结构长度增加时，锚杆固有频率仍能保持足够高而处于工作转速之上。由此一方面保证涡轮机的运行可靠性，另一方面可以满足提高功率的需求，与之相应地，例如有必要增加燃气轮机的结构长度。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头所述类型的转子，它保证即使增加结构长度燃气轮机也能可靠地运行。此外，锚杆、尤其中央空心轴区域内的振幅，应保持尽可能小。

按照本发明上述技术问题通过将锚杆在其中央区内支承得以解决。在这里，布设在涡轮机侧的区段与压气机侧的区段之间的支承轮，成为支承锚杆的转子组成部分。

本发明考虑问题的出发点在于，为了减小锚杆的振动应将锚杆支承在一个转子组成部分上，与此同时转子组成部分因热引起的不同膨胀仍应保持能得到补偿。尤其应考虑由于提高了有关涡轮机功率的要求而使其长度增加，由此使锚杆的固有频率接近燃气轮机工作转速的情况。通过锚杆由支承轮支承，达到减小锚杆振动的目的。在这里支承轮意味着是另一个支承的转子组成部分，在这种情况下支承轮优选地，沿转子的轴向看，在一个当涡轮机运行期间产生的振动幅度达到其最大值的区域内与锚杆连接。

为了使锚杆的固有频率保持足够高在旋转频率之上，要求转子组成部分有尽可能高的刚度。为此将支承轮设置在转子的涡轮机侧区段与转子的压气机侧区段之间，亦即设在可能出现锚杆振动时锚杆最大偏移的地方。在燃气轮机中这一区域例如处于压气机部分与涡轮机部分之间。由此可以将锚杆支承在就振动技术而言特别有效的位置上。

锚杆的支承优选地通过支承轮与锚杆传力地和/或形状封闭地连接实现。例如，支承轮可以热压配合在锚杆上。这种连接方式特别适用，因为由此可以用简单的方式实现支承轮与锚杆之间特别刚性地连接。在燃气轮机运行时，转子组成部分，尤其在支承轮与锚杆之间产生因热引起的不同膨胀，可通过优选地至少其中一个转子组成部分设有一种型面，以有利的方式得到补偿。

例如通过支承轮轮毂的型面设计，可以弹性地调整锚杆与支承轮之间的连接，基本上补偿了因为转子组成部分加热不同造成的体积差。优选地，支承轮的轮毂为此采用一种沿转子纵向看球状的型面。通过以此方式构成的轮毂连接侧的弹性造型，可以防止在转子组成部分内产生应力和裂纹。支承轮轮毂的球状型面也可以用另一句话来表述：支承轮的锚杆孔与锚杆圆柱形外表面相对的表面，沿轴向看是曲拱形的，在这里曲拱朝所述外表面的方向定向。

按照另一项恰当的扩展设计，支承轮与两个相邻设置的转子件借助端面齿连接。通过采用这种轴向有效的连接，作用在转子上的扭矩可以通过支承轮传递并进一步传输。此外，借助端面齿保证径向导引，吸收不同的热变形和离心力变形。因此尤其可以减小燃气轮机运行期间基于支承轮因热引起不均匀膨胀而产生的振动。

按照特别有利的扩展设计，支承轮设有一些冷却孔，它们优选地绕轮毂均匀地布设。因此有利地，基于加工在支承轮中用于冷却的凹槽构成一种筋条结构，它允许冷却剂沿转子轴向流过。此外，一方面通过加工的孔增大支承轮的表面，而且借助如此形成的冷却空气孔，可以在转子内部实现冷却至气的顺利输送。

为了保证沿转子轴向在锚杆与转子组成部分之间流过冷却剂，尤其冷却空气，在支承轮中用作冷却孔的凹槽，有利地在轮毂附近开始加工。由此可以实现对支承轮的冷却，以及对于沿冷却剂流动方向看顺序排列的转子组成部分实施冷却空气的供给。为了恰当地导引冷却剂，锚杆可以被一些同心设置的冷却套管围绕，它们将在锚杆与围绕锚杆的转子组成部分之间形成的通道，再分成一些径向相邻的冷却分通道。由此达到，对转子组成部分的冷却尤其可以根据各自涡轮机级的冷却需求实现。也就是说，借助如此形成的冷却空气孔，可以没有任何困难地在转子内部传输冷却空气。在这里，为了安装支承轮，冷却空气套管沿轴向分成两段，它们面朝支承轮方向的端部，可以插入加工在支承轮上为它们所设的安装槽中。

因此冷却空气套管一方面实现更佳的散热，以及另一方面可以减小这些转子组成部分的热容量。

在前言所述的转子中，通常在转子压气机侧的区段与转子涡轮机侧的区段之间，设有一个所谓的中央空心轴，在插入按照本发明的支承轮的情况下，它沿轴向再分为至少两个管段。优选地，这些管段的长度基本相同。

通过本发明获得的优点尤其在于，通过与锚杆连接的支承轮，即使随着燃气轮机结构长度的增加，仍可以实现燃气轮机特别可靠地运行。尤其通过恰当支承锚杆，可以将其振幅保持得特别小。此外，借助本系统仅用比较低的成本可以实现有目的地提高锚杆的固有频率。此外，可以特别好地补偿在锚杆与设计为支承轮的转子件之间因热引起的相对运动。但与此同时还借助沿转子轴向延伸的冷却空气通道，即使流过可能被套管分开导引的具有不同压力和温度的冷却空气，仍能保证由于转子组成部分高的热负荷所必需的冷却。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明的一种实施例。其中：

图1表示通过按照本发明的涡轮机转子的纵剖视图；

图2表示涡轮机转子的局部剖视图；

图3表示支承轮的示意图；

图4表示支承轮的局部纵剖视图；以及

图5表示图4中的一个局部详图。

在所有的图中相同的部分采用相同的附图标记。

具体实施方式

在图1的纵剖视图中表示燃气轮机的转子2，其包括一些通过锚杆固紧的并组合为一个单元的单个转子件6。

转子2具有一个压气机侧的区段1和一个涡轮机侧的区段3，它们分别包括一些转子件6。各自设计为转子盘的转子件6，在连接侧，亦即端侧，按照切端面齿的方式制有对称于转子2中心线M延伸的槽，由此形成的轮廓形状，对应于各自相邻的转子件6的轮廓形状，从而导致转子件6相对于中心线M的同心定向。

每个转子件6为了隔开距离地穿过锚杆4，设有轴向延伸的孔10。此外，在压气机侧的转子件6与涡轮机侧的转子件6之间设有中央空心轴11。锚杆4在端侧分别与转子件7、9螺纹连接，由此组合并压紧所有布设在它们之间的转子件6。在转子件6之间存在的凹槽8用于导引冷却锚杆4的冷却剂，为此将冷却空气通过在锚杆4与转子件6之间形成的冷却通道输入。

为了能以恰当的方式通过围绕锚杆4的转子组成部分、亦即转子件6来支承锚杆4，在两个转子件6之间，优选地在转子2压气机侧区段1与转子2涡轮机侧区段3之间，插入另一个设计为支承轮14的转子件6。为此迄今整体式的中央空心轴11再分为两个管段11a、11b，支承轮14优选地夹紧在它们之间。在这里，支承轮14为另一个转子组成部分。转子件6和支承轮14借助锚杆4互相压紧，在这里支承轮14与其他转子件6不同，附加地传力地和/或形状封闭地与锚杆4连接。

详细地说，在布设在离涡轮机侧的区段3最近的那个压气机侧转子件6a与布设在离压气机侧的区段1最近的那个涡轮机侧转子件6b之间，设置中央空心轴11，它包括至少两个管段11a、11b，支承轮14夹紧在它们之间。

锚杆4除了支承在中央空心轴11的区域之外，还可以借助适用的阻尼件，如阻尼锥，将锚杆4附加地固定在压气机侧的区段1或涡轮机侧的区段3内，防止锚杆振动。因此阻尼件跨接通常存在的锚杆4与锚杆孔10之间的距离。

图2详细表示出转子2的压气机侧的区段的横截面视图。在图2中总共表示出所述转子2的压气机侧区段1的三个设计为转子盘的转子件6。其中离图中未示出的涡轮机侧的区段3最近的并面朝它的那个压气机侧转子件用6a表示。中央空心轴11的两个管段之一11a，在端侧贴靠在转子件6a上。此外，沿径向更靠里表示出了两个冷却空气套管13。这些冷却空气套管13为了安装支承轮14沿轴向分成两段，使它们面朝支承轮14方向的端部可以插入到开设在支承轮14上的为之所设的安装槽内。

图3示出了制有冷却孔12的支承轮14，其中，用作冷却孔12的凹槽12的深度，与支承轮14在此位置的材料厚度相当。在这里，凹槽12沿支承轮14的横截面均匀分布地开设，从而可以实现对支承轮14的均匀冷却，并因而避免产生应力和不均匀的变形。此外，可以特别有效地实现向冷却剂的传热，因为基于通过加工在轮体15上的凹槽12增大了冷却面积，可以传出更多的热量。

为了能更好地吸收并传递燃气轮机运行期间作用在转子2上的大的力，在支承轮14的外轮圈两个端侧上制有端面齿18。然后将两个轴向管段组成的中央空心轴11，支靠在具有对应端面齿的支承轮14的两侧。通过如此构成的形状封闭连接，达到在结构紧凑的同时除了传递大的扭矩外，还可以实现插入轮毂16内的锚杆的一种自定心作用。此外，保证径向导引以吸收不同的热变形和离心力变形，并因而保证燃气轮机更可靠地运行。

由图4和图5可以看出，支承轮14的轮毂16在锚杆侧具有一个球状型面。它可以用非常简单的方式，通过加工一个在轮毂16中心的环形槽20，以及通过修圆在端侧围绕锚杆的环形棱边实现。轮毂16在锚杆侧的这一型面，可以补偿燃气轮机运行期间产生的锚杆4与支承轮14的不同变形。此外，通过这种特殊的造型，实现从轮毂16中心到支承轮14端侧的一种应力再分布。由此在端侧区内产生的高应力不太严重，所以通过锚杆侧的这种弹性的造型，可以显著提高燃气轮机的运行可靠性。

Claims (9)

1.一种用于燃气轮机的转子(2)，其包括在压气机侧的区段和在涡轮机侧的区段，其中分别设置一定数量的单个转子件(6)，这些转子件(6)通过至少一个锚杆(4)互相压紧和组合成一个转子单元(2)，其中每个转子件(6)对于所设的每个锚杆4具有一个沿转子(2)轴向延伸的锚杆孔，所述至少一个锚杆(4)在与各转子件(6)间隔距离的情况下穿过所述锚杆孔地延伸，其特征为：在涡轮机侧的转子区段与压气机侧的转子区段之间布设至少另一个转子件(6)，它作为支承轮(14)来支承所述锚杆(4)。

2.按照权利要求1所述的转子(2)，其中，所述支承轮(14)传力地和/或形状封闭地与所述锚杆(4)连接。

3.按照权利要求1或2所述的转子(2)，其中，所述支承轮(14)在连接侧设有优选为球状的型面。

4.按照权利要求1、2或3所述的转子(2)，其中，所述支承轮(14)热压配合在所述锚杆(4)上。

5.按照权利要求1至4之一所述的转子(2)，其中，所述支承轮(14)借助端面齿(18)与两个相邻设置的转子件(6)连接。

6.按照权利要求1至5之一所述的转子(2)，其中，所述支承轮(14)设有用于流通冷却剂的孔(12)。

7.按照权利要求1至6之一所述的转子(2)，其中，在压气机侧布设在离涡轮机侧的区段最近的那个转子件(6)与在涡轮机侧布设在离压气机侧的区段最近的那个转子件(6)之间，布设一根包括至少两个管段的中央空心轴(11)，所述支承轮(14)安装在所述两个管段之间。

8.按照权利要求1至7之一所述的转子(2)，其中，所述涡轮机侧的转子件(6)和/或压气机侧的转子件(6)分别由转子盘构成。

9.一种具有按照权利要求1至8之一所述的转子(2)的热流体机械。

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