CN101779000B - 轴流式流体机械的转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴流式流体机械的转子(12)，包括多个成叠排列的转子盘(10、14、16、24、26)，它们借助至少一个贯穿螺栓(58)互相夹紧。为了提供一种尤其针对在压缩的质量流量比较大的同时特别高的压力比设计的结构紧凑及特别便宜的转子(12)，建议，转子(12)的至少一个转子盘(24)、(26)有比相邻转子盘(16)小的外径，以及存在的直径差通过一个环形地围绕外径较小的转子盘(24、26)的圆筒(28)补偿。在这里可以仅是所述圆筒(28)用耐热材料制造。反之，被它围绕的转子盘(24、26)可以用一种便宜的材料制造，从而导致降低成本。此外，圆筒(28)可以安装至少比被圆筒围绕的转子盘(24、26)数量多一个的叶片环。

Description

轴流式流体机械的转子
技术领域
本发明涉及一种轴流式流体机械的转子，包括多个成叠排列的转子盘，它们借助至少一个贯穿螺栓互相夹紧以及分别有一个外径。 
背景技术
长期以来由普通的现有技术已知此类转子。在转子中使用的转子盘已知在其外侧携带成圈排列的工作叶片，借助它们可以压缩工质或借助它们可以将工质内含有的能量转换为转子的旋转运动。在这里，彼此贴靠的成叠转子盘用至少一个贯穿螺栓互相夹紧。为此，贯穿螺栓延伸穿过转子盘并通过旋在端侧的螺母压紧。贯穿螺栓保证转子盘牢固地互相贴靠。 
此外由DE19914227B4已知，焊接而成的转子可以有一个在外部的圆筒状隔热套，用于保护转子的内部区。 
此外由专利文件DE898100已知一种冷却式燃气轮机转子。它的外圆周由环形的叶片支架构成，这些叶片支架朝轴的方向设有互相对置的槽。在每个这种槽内分别插入转子盘的一个凸出的边缘，从而将各自的叶片支架形状封闭地夹紧在两个转子盘之间。 
除此之外由专利文件CH238207已知一种由多个部分组成的燃气轮机筒式转子。在这里，筒式转子包括一个由多个环沿轴向组合而成的圆筒，它们在圆筒的外圆周的对接位置互相焊接。在两个相邻环之间对接位置的区域内状形封闭地镶嵌转子盘的边缘。 
由专利文件DE972310已知一种圆盘结构方式的涡轮机模件式转子。由转子携带的工作叶片具体固定在环上。这些环在其端侧通过形状封闭被设在两侧的转子盘固定。 
发明内容
为了努力提高用于生产能量的汽轮机的效率和功率，在高的压气机压力比的同时需要比较大的压气机质量流量。大的压气机质量流量例如出现在其额定功率大于50MW的汽轮机的压气机中。在这里压气机的压力比大于1∶16。基于比较高的压力比，压缩空气的温度提高到摄氏好几百度。高 的空气温度加热了压气机相邻的部分，尤其在后面的几个压气机级的区域内，所以如今基于高的压力比，迄今使用的材料不再能足够地经受住现在出现的温度。基于有大质量流量的压气机的结构尺寸，在转子盘所使用的耐热材料中产生了另一些在强度和可加工性方面的缺点，从而使这些压气机仅能有条件地适用和仅能有条件地使用。此外耐热材料还比较昂贵。 
因此本发明要解决地技术问题是提供一种用于轴流式流体机械的转子，优选地用于压力比大于1∶16和压气机质量流量比较大的高压压气机的转子，其中为了保持转子盘彼此贴靠成叠的设计方案，可以提供一种低成本的结构。与此同时，转子应有特别长的使用寿命。此外应进一步提高压气机的效率。 
上述技术问题通过一种前言所述类型的转子得以解决，其中转子的至少一个转子盘有比相邻转子盘小的外径，以及存在的直径差通过一个环形地围绕外径较小的转子盘的圆筒来补偿，该圆筒沿所述直径较小的转子盘的全部轴向长度围绕所述直径较小的转子盘，并具有在其内表面上的连续的环形的腹板，该腹板沿轴向夹紧在被围绕的直径较小的转子盘之间。 
因此按照本发明建议了一种沿其径向看分成多个部分的转子，其中，在内部的转子盘可以用与设在外部的圆筒不同的材料制造。由此可以根据圆筒和转子盘承受的不同的负荷来选择最适用的材料。不仅圆筒而且被围绕的直径较小的转子盘可以分别用一种材料制造，采用这种材料可以达到构件特别长的使用寿命。与此同时提供一种设备，借助它可使圆筒与直径较小的转子盘防旋转地连接。因此在处于外部的圆筒与沿径向设在更靠里的转子盘之间不可能造成有滑动的相对运动，从而在总体上要在有关构件之间传递的扭矩和力可以无损失地传输。此外圆筒可以密封两个转子盘之间的间隙，从而在此位置可以抑制在现有技术中可能存在的漏流。其结果是提高压气机的效率。 
此外，与由现有技术已知的大直径的转子盘相比，转子盘基于其直径较小，还可以借助已知的超声波方法更好地探测可能存在的材料夹杂、缺陷位置和/或裂纹。 
在从属权利要求中给出一些有利的扩展设计。 
按第一项有利的扩展设计，外径较大的转子盘直接装在外径较小的转子盘旁。因此工作叶片直接与直径较大的转子盘钩连，而在转子的设置有直径较小的转子盘的轴向部分内，工作叶片直接与圆筒钩连。可以说，转子包括具有盘式转子的第一部分和具有筒式转子及在内部的转子盘的第二部分。 
按另一项有利的扩展设计，圆筒的腹板沿径向向内延伸超过外径较小的转子盘并在这种情况下有这样的轴向宽度，亦即使腹板至少部分一直延伸到外径较小的转子盘的轮毂孔内。这种设计导致一种特别能承受不仅机械载荷而且热负荷的圆筒。 
优选地，为了承受离心力负荷，两个沿转子轴向看在外部的被圆筒围绕的转子盘与圆筒钩连。因此圆筒围绕至少两个转子盘，其中这两个沿转子轴向看在外部的转子盘的每一个，在其外圆周上分别制有钩具，它们可以与设在圆筒内侧对应的钩子或槽分别啮合。钩挂的方向选择为，使作用在圆筒上的离心力负荷可由转子盘至少部分承受。由此，在转子的这一部分产生的离心力负荷，可以由圆筒在沿径向设在更靠里的转子盘上均匀地分配。基于包括沿径向设在内部的转子盘和沿径向设在外部的圆筒可堆叠的结构所需要的可装配性，要求至少这两个在外部的转子盘与圆筒钩连。因此，对于圆筒仅围绕两个转子盘的布局而言，这两个转子盘均与圆筒钩连。 
按本发明一项特别有利的设计，圆筒用一种比转子盘更耐热的材料构成。由此尤其可以提供一种特别价廉物美的转子，因为耐热和价高的材料只使用于圆筒。按本发明的这种结构优选地在轴流式压气机的后几级内使用，在压缩过程中那里将产生400℃以上范围内的特别高的温度。采用耐热的圆筒，转子的使用寿命即使不能延长也至少能保持。因为在转子的内部基于在圆筒材料内的温度梯度存在比要压缩的空气低的温度，所以转子盘用一种对耐热性要求较低的材料制成就够了。因此转子盘的材料可以比圆筒的材料便宜。例如，圆筒可以用镍基合金制造，而被它围绕的转子盘可以用一种耐热钢或合金制造。 
为了实现在圆筒与转子盘之间特别牢固和可靠地连接，腹板有两个相对置的凸缘状的端面，它们贴靠在相邻转子盘的凸缘状端面上。优选地，转子盘的端面形状封闭地贴靠在腹板的端面上。所述的形状封闭可例如借 助端齿构成。按另一项设计可以规定，圆筒有至少一个槽用于安装至少一个工作叶片。优选地，所述槽设计为环槽，所以在此环槽中可以置入一个工作叶片环的全部工作叶片。采用环槽允许每个环有数量特别多的工作叶片。此外，环槽的制作成本低于沿轴向延伸的工作叶片槽。 
按本发明的一种特别优选的方案，环槽的数量大于被圆筒围绕的转子盘的数量。迄今在现有技术中，每个工作叶片级的一个转子盘设一个环槽。这导致将工作叶片固定在转子上需要比较大的轴向结构空间。采用现在所建议的方案，尽管使用包括一些转子盘的模件式转子设计方案，但仍能达到转子和壳体占用比较短的轴向结构空间，因为例如当采用两个转子盘时可以在圆筒的外圆周上设置三个环槽，其中可分别装入不同叶片环的工作叶片。由此可节省轴向结构空间，其结果尤其是降低壳体材料的成本。此外还可以减小转子质量。总之，将圆筒外表面设计用于安装排列成环的工作叶片，在这里可安装的叶片环数量可以大于被圆筒围绕的转子盘的数量。 
本发明特别恰当的是，将所述转子使用于压缩比大于1∶16的压气机中，在这里压气机优选地是使用于生产能量的固定式燃气轮机的压气机。优选地，燃气轮机的额定功率大于50MW。本发明原则上可以使用于压气机的任何部段中。因为由现有技术已知的疑难问题，尤其发生在外径大于1200mm和更大的大型转子盘中，所以特别有利的是，尤其这种大型的转子盘采用按照本发明的结构，用外径较小的压气机盘以及用一个围绕它们的圆筒替代。因此优选地按照本发明的圆筒具有的外径为1200mm和更大。当然，本发明也可以使用于压气机的那些部分中，在那里当只使用压气机盘而没有圆筒时，压气机盘具有比1200mm小的外径。因此圆筒外径也可能小于1200mm。 
附图说明
下面借助附图详细说明本发明。借助对附图的说明得出其他特征和其他优点。其中： 
图1表示本发明的转子的局部纵剖面； 
图2表示与图1相同的局部和经修改的圆筒；以及 
图3表示按另一种扩展设计具有沿径向向内伸的轮毂区的圆筒。 
具体实施方式
图1表示未详细示出的燃气轮机的一个包括多个转子盘10的转子12的局部纵剖面。选择的这一部分转子12处于燃气轮机轴流式压气机的高压区内。轴流式压气机的泵送方向从图的左侧向图的右侧。 
转子盘14、16按已知的设计结构制造，在其外圆周18上分别有一个沿周向延伸的环槽20，它们规定用于安装压气机的工作叶片。转子盘14、 16在凸缘状的接触面22处彼此贴靠，在这些接触面22内制有形状封闭的端齿。 
直接在转子盘16的下游，亦即在图2中表示在更右方，设有另外两个转子盘24、26，与在它们上游的转子盘14、16相比，它们有小得多的外径。术语“下游”和“上游”在这里涉及在轴流式压气机内流动的压缩空气的方向。 
这两个转子盘24、26被一个在纵剖面内T形的、横截面圆形的圆筒28围绕。圆筒28在其内侧30有一个沿径向向内的环形连续的腹板32，它设有两个互相对置的端面34。在这里一侧的端面34贴靠在转子盘24的接触面36上，以及另一侧的端面34贴靠在转子盘26的接触面38上。这些接触面36、38的结构设计为，分别构成端齿状的形状封闭。 
每个转子盘24、26在其外部区域具有一个沿轴向延伸的环形钩子40、42。由此分别形成一个朝端面方向开口的环槽41、43。环形钩子40、42分别插入一个朝圆筒28的端面方向开口并设在此端面内的环形的连续槽44、46中。因此槽44、46分别构成一个安装座，用于容纳布设在转子盘24、26上的钩子40、42。 
此外，圆筒28在其外侧还具有沿周向延伸的工作叶片固定槽48、50、52，其中可分别安装一个叶片环的工作叶片。为此工作叶片具有与工作叶片固定槽48、50、52对应设计的叶根。可装入槽48、50、52中的工作叶片属于那些叶片级，它们实施最终提高要压缩的介质压力的任务。因此压气机最后三个压气机工作叶片环设置这些工作叶片固定槽48、50、52。由于在介质(空气)压缩时在圆筒28区域内产生高的温度，所以它用一种比被圆筒28围绕并因而处于沿径向更靠里的转子盘24、26更耐热的材料制造。因此转子盘24、26可以用一种耐热性能较差的材料制造，因为在它们的区域内产生的温度低于圆筒28的区域。此外，槽48与50之间以及槽50与52之间的轴向距离，相比之下小于在使用三个单个转子盘取代圆筒28时的距离，从而可以节省压气机中的轴向结构空间。节省轴向结构空间最终可以实现一种价廉物美的燃气轮机结构或一种价廉物美的压气机结构。 
虽然圆筒28设计为整体式的并由设在其中的转子盘24、26定心，但业已证实有利的是，每个转子盘24、26与圆筒28的内侧30钩连。因此甚至可以避免两个沿轴向彼此相对置的圆筒28的端部54、56微小的上抬 (Aufstellen)。与此同时，源于工作叶片的离心力机械负荷，可以由圆筒28将至少部分进一步传给转子盘24、26，从而使圆筒28边缘的机械负荷保持在圆筒材料允许的界限以内。 
也可以取代在中心穿过转子盘10轮毂孔57的贯穿螺栓58，而采用多个同心地围绕机器轴线60分布的偏心贯穿螺栓，将转子盘互相牢固压紧。 
图2表示与图1相同的燃气轮机的一个相同局部，其中相同的结构部分用相同的附图标记标注。 
与图1不同，图2所示的圆筒28有经修改的腹板32。按图2中表示的第二种设计的圆筒28的腹板32，向内不仅延伸到相邻转子盘24、26的那些贴靠在相邻转子盘24、26接触面22上的端面34，而是超过这一区域向外。因此腹板32也可以包括另一个轮毂区62，它沿径向的末端，比转子盘24、26的接触面22处于更加靠里的位置。由此可以达到圆筒28有更大的承载能力。 
图3表示本发明另一种设计，其中相同的特征采用了相同的附图标记。此外，相同的特征具有相同的功能，所以上面的说明在这里也适用于图3中相同的结构特征。因此下面仅详细说明与图2在结构上的不同点。 
与图2相比，按照图3的圆筒28具有沿径向更进一步向内伸的轮毂区63。此外轮毂区63还沿其轴向尺寸加宽为，使之沿径向处于转子盘24、26的轮毂区64的内部。换句话说：腹板32的轮毂区63具有这样一个轴向尺寸，亦即它部分一直延伸到直径较小的转子盘24、26的轮毂孔57内。借助这种轮毂区63，在圆筒内的机械应力可以保持为比较小，由此它可以更好地承受热负荷。 
总之，本发明涉及一种轴流式流体机械的转子12，包括多个成叠排列的转子盘10、14、16、24、26，它们借助至少一个贯穿螺栓58互相夹紧以及分别有一个外径。为了提供一种尤其针对在压缩的质量流量比较大的同时特别高的压力比设计的结构紧凑及特别便宜的转子12，建议，转子12的至少一个转子盘24、26有比相邻转子盘16小的外径，以及存在的直径差通过一个环形地围绕外径较小的转子盘24、26的圆筒28补偿。在这里可以仅是圆筒28可以用耐热材料制造。反之，被它围绕的转子盘24、26可以用一种便宜的材料制造，从而导致降低成本。此外，圆筒28可以安装至少比被圆筒围绕的转子盘24、26数量多一个的叶片环。 

Claims (15)

1.一种轴流式流体机械的转子(12)，包括多个成叠排列的转子盘(10、14、16、24、26)，这些转子盘借助至少一个贯穿螺栓(58)互相夹紧以及分别有一个外径，其特征为：所述转子(12)的至少两个转子盘(24、26)有比相邻转子盘(16)小的外径，以及存在的直径差通过环形地围绕外径较小的转子盘(24、26)的圆筒(28)补偿，该圆筒(28)沿所述直径较小的转子盘的全部轴向长度围绕所述直径较小的转子盘(24、26)，并具有在其内表面(30)上连续的环形的腹板(32)，该腹板沿轴向夹紧在被围绕的直径较小的转子盘(24、26)之间。
2.按照权利要求1所述的转子(12)，其中，外径较大的转子盘(14、16)直接装在外径较小的转子盘(24、26)旁。
3.按照权利要求1或2所述的转子(12)，其中，所述圆筒(28)的腹板沿径向向内延伸超过所述外径较小的转子盘(24、26)并在这种情况下有这样的轴向宽度，亦即使腹板(32)至少部分一直延伸到外径较小的转子盘(24、26)的轮毂孔(57)内。
4.按照权利要求1至3之一所述的转子，其中，为了承受离心力负荷，两个沿转子(12)轴向看在外部的被圆筒(28)围绕的转子盘(24、26)与圆筒(28)钩连。
5.按照权利要求4所述的转子(12)，其中，所述两个转子盘(24、26)在其圆周侧具有环形的沿轴向延伸的钩子(40、42)，它们分别插入到设计在圆筒(28)上的槽(44、46)内。
6.按照前列诸权利要求之一所述的转子(12)，其中，所述圆筒(28)用一种比所述直径较小的转子盘(24、26)更耐热的材料构成。
7.按照前列诸权利要求之一所述的转子(12)，其中，腹板(32)具有两个相对置的凸缘状端面(34)，它们贴靠在相邻转子盘(24、26)的凸缘状端面(36、38)上。
8.按照权利要求7所述的转子(12)，其中，所述转子盘(24、26)的端面(36、38)与所述腹板(32)的端面(34)形状封闭地互相贴靠。
9.按照权利要求8所述的转子(12)，其中，所述形状封闭借助端齿构成。
10.按照权利要求1至9一所述的转子，其中，所述圆筒(28)具有至少一个槽(48、50、52)以用于安装至少一个工作叶片。
11.按照权利要求10所述的转子，其中，所述槽(48、50、52)设计为环槽。
12.按照权利要求11所述的转子，其中，设置一定数量的环槽(48、50、52)，这一数量大于被圆筒(28)围绕的转子盘(24、26)的数量。
13.按照权利要求12所述的转子，其中，所述圆筒(28)的外表面设计用于安装排列成环的工作叶片，可安装的叶片环的数量大于被圆筒(28)围绕的转子盘(24、26)的数量。
14.一种具有按照前列诸权利要求之一所述转子(12)的压气机。
15.一种具有按照权利要求14所述压气机的燃气轮机。
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