CN104373161A - 用于涡轮机的转子轴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机的转子轴，公开一种适于围绕其转子轴线(110)旋转的转子轴(100)。该转子轴(100)包括转子空腔(120)，其与转子轴线(110)同心地配置在转子轴(100)内。转子轴(100)还包括多个冷却孔(130)，其从转子空腔(120)径向向外延伸，以将冷却空气供给至叶片中的内部冷却系统。每个冷却孔(130)包括孔入口部分(132)和远端孔出口部分(134)。各个孔入口部分(132)终止于高台(124)中，该高台(124)在转子空腔(120)的外周轮廓(122)上方突出。因此，冷却孔入口(132)移至低应力区域，并且转子的使用寿命被改进。

Description

用于涡轮机的转子轴
技术领域
本发明涉及遭受高热负荷的涡轮机尤其是燃气涡轮的技术领域，并且更特别地，本发明用于这种涡轮机的转子轴。
背景技术
涡轮机中的部件，例如压缩机、燃气涡轮或蒸汽涡轮，暴露于高热应力和机械应力，降低了这些部件的使用寿命。为了降低操作期间的热应力，这些部件由冷却介质例如蒸汽或空气冷却。
在燃气涡轮中，叶片由冷却空气以对流方式冷却。冷却空气从压缩机分支并导向至转子轴内部的中央冷却空气供应孔中。冷却空气从该中央孔径向向外通过转子空腔和多个单独的径向延伸冷却孔被导向至叶片的内部冷却通道中。
EP 1705339公开了一种用于燃气涡轮的转子轴，其带有：冷却空气供应部，其以中央轴向延伸孔的形式设置于所述转子轴内部；多个单独的冷却空气管，其从中央冷却空气供应部沿基本径向方向向外延伸至将被冷却的叶片。这些冷却空气管将冷却空气供给到叶片的内部冷却通道中。根据优选实施例，冷却空气管从空腔发出，关于转子轴线同心地布置。该结构的关键区域是这些转子空腔的外周处的冷却空气管入口的区段。多个冷却孔起始于转子空腔的弯曲外区段。它们沿着转子空腔的外周对称地分布。由于所需的高冷却空气质量流，冷却空气孔的数量和尺寸被给出，并导致各个冷却空气孔之间极小的保留壁厚。这导致转子轴硬度的弱化。由于该区域中的高作用应力，小壁厚导致转子的有限使用寿命。
为了增加最小壁厚，需要改变冷却孔的数量和/或尺寸。或者备选地，需要降低作用的机械负荷(离心叶片负荷)和热负荷。然而，这些选项共同对叶片冷却和/或对发动机性能具有消极的影响。
所以，存在对于改进的转子轴设计的需要，其用于在受热负荷的涡轮机中降低转子轴的机械应力并增加使用寿命。
发明内容
本发明的目标是提供用于涡轮机例如燃气涡轮的转子轴，其遭受高热负荷，配备有多个径向延伸的冷却孔，该转子轴相对于所述技术状态是有利的，尤其是在其使用寿命方面。
此目标可通过根据独立权利要求的转子轴来实现。
根据本发明的转子轴至少包括：冷却空气供应部，其设置在转子轴内部且基本平行于转子轴线延伸；至少一个转子空腔，其与转子轴线同心地布置在转子轴内，由此，冷却空气供应部开向至少一个转子空腔；一些冷却孔，其连接至至少一个转子空腔并从该转子空腔径向向外延伸，每个冷却孔具有入口部分和远端出口部分，各个孔入口部分适于紧靠至少一个转子空腔的外周。该转子轴的特征为：至少一个冷却孔的入口部分形成为在转子空腔壁的外周轮廓上方突出的高台。
该措施的有利影响为：冷却孔由此进一步延伸至转子空腔内，并且冷却孔入口从原来的空腔轮廓移至低应力区域中。结果，转子的机械应力显著减小，并且该转子的减少机械应力是增加其使用寿命的因素。
根据本发明的优选实施例，每个冷却孔的入口区段布置在相应的高台上。
根据备选的实施例，一些冷却孔的入口区段布置在共同的高台上。
根据又一实施例，周向高台形成于转子空腔中，并且所有冷却孔的入口区段终止于该周向高台中。
周向高台的优点是其易于制造。
在其径向外部，高台经由相对较小的半径从原轮廓偏离，从而在空腔壁上形成台阶。
该引进的台阶阻止了原来应力分布的任何变化。
在其径向内部，在到转子轴线的方向上，高台具有到空腔壁的平滑切向过渡部。
高台自身可具有弯曲的表面。但由于易制造的原因，带有平直表面的高台是优选的。平直高台的表面与冷却孔的纵向轴线垂直地排列。
附图说明
现在通过不同的实施例参考附图更详细地说明本发明。
图1示出根据本发明的示例性实施例的转子轴(未安装叶片)的透视侧视图。
图2示意地示出在配备有内部冷却空气管的区域中穿过图1的转子轴的纵向区段。
图3示出根据本发明的转子空腔的放大视图。
在若干实施例的描述中，相同的参考标号代表相同的部分。
参考标号：
100      转子轴
110      转子轴线
120      转子空腔
122      冷却孔入口处的空腔的原轮廓
123      空腔壁
124      高台
125      高台124的表面
126      空腔壁与高台之间的径向内部过渡部
127      空腔壁与高台之间的径向外部过渡部
130      多个冷却孔
132      冷却孔入口
134      冷却孔出口部分
140      焊缝
11       压缩机部分
12       涡轮部分
13       转子盘
14       中央冷却空气供应部。
具体实施方式
为了本公开的透彻理解，将结合附图对下述详细描述做出参考。
图1重现了燃气涡轮的转子轴100(未显示安装叶片)的透视侧视图。关于转子轴线110旋转对称的转子轴100再分为压缩机部分11和涡轮部分12。在两个部分11与12之间，在燃气涡轮内，可布置燃烧室，在压缩机部分11中压缩的空气导向至该燃烧室，并且热气体通过涡轮部分12流出该燃烧室。转子轴100可由一些通过焊接彼此连接的转子盘13装配成。涡轮部分12具有在周边上分布的接纳槽，以用于接纳对应的转动叶片。叶片的叶根借助类似杉树的横截面轮廓通过正连接以通常的方式被保持在接纳槽中。
根据示出遭受高热负荷的涡轮部分12的图2，转子轴100包括冷却空气供应部16，其基本平行于转子轴线110延伸并终止于转子空腔120中。转子空腔120与转子轴线110同心地配置在转子轴100内。多个冷却孔130从转子空腔120径向向外延伸至转子轴100的外部，以用于将冷却空气供给到与转子轴100相连的各个叶片(未显示)的内部冷却通道中。每个冷却孔130包括孔入口部分132和远端孔出口部分134。各个孔入口部分适于紧靠转子空腔120。术语“紧靠”定义为意指孔入口部分132和转子空腔120共享相同平面，孔入口部分132在转子空腔120处汇合。转子空腔120连接至中央冷却空气供应部14，该中央冷却空气供应部14向转子空腔120供应空气，并且从此到多个冷却孔130。
如图3所示，环形转子空腔120在轴向和周向上由空腔壁123限制。参考标号140表示相邻转子盘13之间的焊缝。一些冷却孔130从转子空腔120的径向外部区段(如文中引用的术语“径向外部”、“径向内部”、“径向向外”的基准为转子轴线110)径向向外延伸。冷却孔130的入口132从原来的空腔轮廓122偏离并且在其远处位于添加材料的高台124上。理想地，材料仅在每个冷却孔入口132的周围增加，以便在每个单独的冷却孔入口132周围形成高台124。冷却孔130由此进一步延伸到转子空腔120内，并且它们的入口132从原来的空腔轮廓122偏离。优选地，高台124具有平直表面125，其与冷却孔130的纵向轴线垂直地排列。在其径向内部，即在到转子轴线110的方向上，高台124具有到空腔壁123的平滑切向过渡部126，然而在其径向外部，从空腔壁123至高台124的过渡部由台阶形成，该台阶带有相对较小的从空腔壁123至平台124的过渡半径127。表述“相对较小”意指与过渡半径126相比。由于添加的材料，冷却孔入口132进一步偏离到空腔120内且远离原来的轮廓122。引进的台阶127阻止原来应力分布的任何变化。因此，冷却孔入口132移至低应力区域。
代替根据冷却孔130的数量制造多个单独的高台124，优选的备选方案是沿着转子空腔120的整个周边形成相同高度的连续高台124。该实施例的优点是其易于制造。
本公开的改进转子轴在许多范畴内有利。在转子轴在其中使用的机器或涡轮处于运转状态中时，该转子轴可在降低出现于其上的热应力和机械应力方面可适用。此外，独立于本公开的转子轴是否由单件或多件制成的因素，本公开的转子轴在承受或减少温度和离心或轴向力的作用方面是有利的。在讨论的位置处，带有这种截面轮廓的改进的转子轴能够表现出为传统转子的2到5倍的整个寿命周期。本公开的转子轴也有利于将孔入口区域中的作用应力减少10％至40％。作用应力为机械应力和热应力的混合。此外，转子轴便于以有效且经济的方式使用。根据上述详细描述和所附权利要求，本公开的各种其他优点和特点是显而易见的。
已经为了说明和描述的目的而提出了本公开的特定实施例的以上描述。它们并不意图为详尽的或者将本公开限制所公开的精确形式，并且显然地，根据上述教导，许多更改和变型是可能的。选择和描述这些实施例以便最佳地解释本公开的原理及其实际应用，从而使其他本领域技术人员能够最佳地利用本公开，并且可设想适应于特定用途的带有各种修改的各种实施例。应理解，在情形可暗示或导致权宜之计时，可设想等同方案的各种省略和替换，但是这些意图在不脱离本公开的权利要求的精神和范畴的情况下覆盖应用或实施方案。

Claims (11)

1. 一种转子轴(100)，用于诸如燃气涡轮的受热应力的涡轮机，至少包括：
冷却空气供应部(16)，其设置于所述转子轴(100)内且基本平行于转子轴线(110)而延伸，
至少一个转子空腔(120)，其与所述转子轴线(110)同心地布置在所述转子轴(100)内，由此所述冷却空气供应部(16)开向至少一个转子空腔(120)，
一些冷却孔(130)，其连接至所述至少一个转子空腔(120)且从该转子空腔(120)径向向外延伸，每个冷却孔(130)具有入口部分(132)和远端出口部分(134)，各个孔入口部分(132)适于紧靠所述至少一个转子空腔(120)的外周，
其特征在于，所述冷却孔(130)的至少一个入口部分(132)形成为在所述转子空腔(120)的外周轮廓(122)上方突出的高台(124)。
2. 根据权利要求1所述的转子轴(100)，其特征在于，所述冷却孔(130)的每个入口区段(132)形成在所述转子空腔(120)的外周轮廓(122)上方突出的单独的高台(124)。
3. 根据权利要求1所述的转子轴(100)，其特征在于，所述冷却孔(130)的至少两个入口区段(132)形成共同的高台(124)。
4. 根据权利要求1所述的转子轴(100)，其特征在于，所述高台(124)在所述转子空腔(120)中形成为连续的周向高台，并且所有所述冷却孔(130)的入口区段(132)终止于该周向高台(124)中。
5. 根据权利要求1至4中的一项所述的转子轴(100)，其特征在于，所述至少一个高台(124)具有平直表面(125)。
6. 根据权利要求5所述的转子轴(100)，其特征在于，所述平直表面(125)基本垂直于所述冷却孔(130)的纵向轴线。
7. 根据权利要求1所述的转子轴(100)，其特征在于，所述高台(124)在到所述转子轴线(110)的方向上具有到所述空腔壁(123)的平滑切向过渡部(126)。
8. 根据权利要求1所述的转子轴(100)，其特征在于，所述高台(124)的径向外部形成到所述空腔壁(123)的台阶。
9. 根据权利要求8所述的转子轴(100)，其特征在于，从所述空腔壁(123)到所述高台(124)的所述台阶设计为带有过渡半径(127)的倒圆边缘。
10. 根据权利要求7至9所述的转子轴(100)，其特征在于，所述外部过渡半径(127)比所述内部过渡区段(126)处的半径更小。
11. 根据权利要求1至10中的一项所述的转子轴(100)，其特征在于，所述转子轴(100)包括通过焊接彼此连接的一些转子盘(13)。
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