CN104929692A - 带有冷却孔入口的转子轴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有冷却孔入口的转子轴。本发明涉及一种适合于围绕其转子轴线而旋转的转子轴。这种转子轴包括在转子轴(100)内部的配置成相对于转子轴线(110)同心或类似同心的转子空腔(120)，以及从转子轴(100)的内部径向地或类似径向地向外延伸至外部的多个冷却孔。各个冷却孔(130)具有孔入口位置(160)和远端孔出口部分(134)，并且相应的孔入口位置(160)适合于邻接转子空腔(120)。冷却孔入口位置的至少一个侧面或部分侧面设有非对称的边缘圆角(150)，从而使两个相邻的冷却孔(130)之间的壁厚最大化。

Description

带有冷却孔入口的转子轴
技术领域
本发明涉及旋转机械的领域，并且更具体地说，涉及一种用于涡轮机，尤其用于燃气涡轮或蒸汽涡轮的转子轴。
转子轴包括在转子轴内部的配置成相对于转子轴线同心或类似同心的转子空腔、以及从转子轴内部径向或类似径向地向外延伸至外部的多个冷却孔。各个冷却孔具有孔入口位置和远端孔出口部分。相应的孔入口位置适合于邻接转子空腔。
背景技术
基本地，压缩机、燃气涡轮、蒸汽涡轮以及其它热机都会遇到高的热应力和机械应力。因此，减少这种热应力和机械应力是必不可少的。
在燃气涡轮中，转子轴连同各种其它部件，例如转子叶片和定子叶片都暴露于高的热应力和机械应力下。关键的位置可能是尤其位于转子轴的转子空腔中的冷却孔入口。大体上，转子空腔配置在转子轴的内部，并且冷却孔入口设置在这种转子空腔的外圆周上。冷却孔主要以径向方向从转子轴内部延伸。在涉及这种冷却孔和转子空腔的地方，出现在转子空腔中的应力极度依赖于转子空腔的横截面轮廓。
冷却孔在其从转子空腔延伸出来的区域通常构成了转子轴的机械薄弱之处，其在高热应力和机械应力的情况下可能具有负面影响。
因此，已经设想了许多措施来减少热应力和机械应力的影响，即：
减少内径和改变压缩机中的放气位置来实现更高的级。但这种影响增加了冷却空气压力，并因而减少了所需要的流动横截面。关于缺陷，这减少了负面的性能影响，并且这额外地提高了冷却空气温度。
改变SAF系统，即改变输送至叶片的正面而非底部的叶片进料。关于缺陷，这需要重新设计转子和/或转子叶片和/或定子叶片。另外，必须利用其它装置恢复压力损失。
转子的内部径向压缩机以肋形式设于转子空腔壁上。内部肋促进了圆周方向上的空气流动，并因而增加了其涡流。关于缺陷，这适合以下情况：肋具有非常高的表面-体积比，并因而具有非常快的热性能，而具有非常低的表面-体积比的转子盘则具有非常慢的热性能。这可能将非常高的热应力引入到转子盘中，使得这种肋的设计变得很困难。
总体上可以说由于相邻孔之间的低的剩余壁厚，大量的大孔导致了有限的转子寿命。此外，在冷却孔的入口处，冷却空气的相对速度的高跳导致了压力损失且由于再循环而导致了需要更大的孔径。
发明内容
本发明描述了一种燃气涡轮、蒸汽涡轮或大体涡轮机的改进的转子轴，其将在以下简要概述中进行呈现，以便对意图克服所述缺陷的本公开的一个或多个方面提供基本的理解，但包括其所有优点，连同提供某些附加优点。
这个概述不是本发明的广泛概述。其意图既不确定本发明的关键或重要元件，也不限制本公开的范围。相反，这一概述的唯一目的是以简化的形式展现本发明的某些概念、方面和优点作为后文所展现的更详细说明的序言。
本发明的一个目的是描述一种改进的转子轴，其可适用于在与其相关的机械或涡轮的运行状况下减少使用时出现热应力和机械应力的影响。
此外，不管本发明的转子轴是否由单个器件或多个器件制成，本发明的转子轴都具有承受或减少热应力和机械应力影响的目的。
本发明的另一目的是描述一种改进的转子轴，其方便以有效且经济的方式来使用。从以下详细说明书和权利要求中将明晰本发明的各种其它目的和特征。
总体上，根据独立权利要求的特征条款，本发明步骤的主要方面包括第一实施例，其中，冷却孔入口位置的至少一个侧面或部分侧面设有非对称的边缘圆角，从而最大限度地增加在两个相邻的冷却孔之间的壁厚。
一方面，上面提到目的和其它目的可通过一种用于发电站的燃气涡轮发动机的改进的转子轴来实现。这种转子轴适合于围绕其转子轴线而旋转。转子轴包括在转子轴内部的相对于转子轴线同心地或类似同心地配置的转子空腔。应该懂得，本发明并不严格地局限于同心的空腔配置。
转子轴还包括径向或类似径向地从转子轴内部向外延伸至外部的多个冷却孔。应该懂得，本发明并不严格地局限于径向配置。各个冷却孔包括孔入口部分和远端孔出口部分。相应的孔入口部分适合于邻接转子空腔。孔本身(在入口部分和出口部分之间)是具有恒定孔径的“标准”直孔。
转子轴在一个实施例中可能是单器件配置，或者在另一实施例中可能是两个或多个器件配置，其沿着至少一个焊缝而焊接装配在一起。转子轴还可能用螺栓连接在一起。
此外，本发明在转子空腔中的冷却孔的入口处引入了非对称的边缘圆角。冷却空气通过中心或类似中心或其它设置方位的孔而流入到转子空腔中，并进入冷却空气孔，冷却空气孔将冷却空气引导向转子叶片。
冷却空气的旋转速度只是在转子空腔中是小的。在从空腔至冷却孔的过渡处，冷却空气的旋转速度显著增加，其在孔入口处导致了压力损失和再循环区域。
非对称的边缘圆角的引入容许转子空腔至冷却孔的更平滑的过渡，并因而改善了孔入口处的流动状况。所公开的冷却孔的入口设计用于引导空气穿过转子盘，而非用于压缩空气。
再循环区域被减少了，并因而增加了冷却孔入口中的有效的流动横截面。这将峰值-速度限制于更小的值，并显著地减少了压力损失。
出于这个原因，可减少冷却孔径，同时冷却空气速度和压力损失保持相同或只轻微增加。
由于有大量的冷却孔，相邻的孔之间的剩余壁厚只能是低的，其限制了这个位置的转子寿命。为了使最小壁厚保持尽可能地大，边缘圆角只应用于孔的一个侧面，并因而是非对称的，虽然另一侧面保持基本没有圆角，但基本并不意味着根本没有，即在较窄的范围内，没有圆角可用的侧面可设有减少的边缘圆角，而不会牺牲主要的根本的不对称性。
关于这种不对称，包括边缘圆角的侧面在转子的旋转方向上应用于孔的前部处。
本发明的特征可与附加特征组合，从而进一步优化转子寿命，即：
转子轴包括在转子轴内部的配置成相对于转子轴线同心的转子空腔、以及从转子轴内部径向向外延伸至外部的多个冷却孔。各个冷却孔具有孔入口部分和远端孔出口部分，并且相应的孔入口部分适合于邻接转子空腔。此外，在各个相应的孔入口部分邻接转子空腔的位置，转子空腔包括适合于周向平直的横截面轮廓，从而至少在跨转子空腔的主横截面的热应力和机械应力方面有所减少。
此外，转子轴可配置为单器件配置，或者转子轴由两个或多个器件配置而成，其沿着一个焊缝焊接装配在一起。
相对于孔的非对称侧面，边缘圆角理想地被制成为圆形的圆角，其具有在冷却孔径的0.3至0.7倍之间的半径。由于制造限制，圆形圆角可通过之间具有均匀的角度阶梯的3个或多个斜面(chamfer)近似。如果圆角是由斜面近似的，那么边缘圆角的整体宽度w和整体高度d也在冷却孔径的0.3至0.7倍之间。
因此，本发明的最终目的在于，在旋转的转子盘的冷却孔的入口处引入非对称的边缘圆角，从而改善入口处的流动状况，并因而减少入口压力损失，从而对于给定的质量流量容许有更小的孔径。因此，改善了相邻的孔之间的剩余壁厚，其对于转子寿命是有利的。
上面所解释的声明与本公开的其它方面以及表示本发明特征的各种特点一起在本公开中特别被指出来。为了更好地理解本公开、其操作优点和其用途，现在将参考附图和描述性的材料，其中，描述了本发明公开的典型的实施例。
附图说明
参照以下结合附图得到的详细说明和权利要求将更好地理解本公开的优点和特征，在附图中，相似的元件用相似的标号来标识，并且其中：
图1显示了燃气涡轮的转子轴的透视侧视图；
图2显示了穿过根据图1的转子轴的纵截面，并且显示了参照具有许多冷却孔的转子空腔的一个示例；
图3显示了根据图2的截面图III-III的转子空腔的局部视图，其描绘本发明的一个实施例，其在传统的转子空腔上具有一种非对称的冷却孔配置；
图4显示了根据图2的局部截面图IV-IV的非对称的冷却孔配置。
标号列表
100转子轴
101压缩机部分
102涡轮部分
103转子盘
104中心冷却空气供给
110转子轴线
120转子空腔
130冷却孔
132孔入口部分
134孔出口部分
150边缘圆角
160孔入口位置
170半径、相应地斜面。
具体实施方式
图1复制了没有安装叶片的燃气涡轮的转子轴100的透视侧视图，并将结合图2进行描述。相对于转子轴110旋转对称的转子轴100被划分成压缩机部分101和涡轮部分102。在这两个部分101和102之间，在燃气涡轮拱顶的内部可设置燃烧室，其中在压缩机部分101中进行压缩的空气被引入燃烧室，并且热气体通过涡轮部分102流出燃烧室。在轴向方向上一前一后设置的涡轮部分102具有多个转子盘103，在转子盘中形成了分布在圆周上的轴向定向的接收槽，用于接收相对应的移动叶片。叶片的叶根以定制方式通过枞树状横截面轮廓的牢固连接而保持在接收槽中。转子空腔(见图2)可连接在以轴向方向延伸于转子轴100中的中心冷却空气供给104上，从而从中将冷却空气供给转子空腔，并供给多个冷却孔(见图2)。
基本上，根据图2，转子轴包括在转子轴内部的相对于转子轴线同心配置的转子空腔、以及从转子轴内部径向向外延伸至外部的多个冷却孔。各个冷却孔具有孔入口部分和远端孔出口部分，并且相应的孔入口部分适合于邻接转子空腔。此外，在各个相应的孔入口部分邻接转子空腔的位置，转子空腔包括适合于周向平直的横截面轮廓，从而至少在跨转子空腔的主横截面的热应力和机械应力方面有所减少。
结合图2，根据图1和图2，转子空腔120相对于转子轴线110同心地配置在转子轴100的内部。此外，多个冷却孔130以某种方式进行配置，使其从转子轴100的内部径向向外延伸至外部。各个冷却孔130包括孔入口部分132和远端孔出口部分134。相应的孔入口部分132适合于邻接转子空腔120。词语“邻接”被限定为意味着孔入口部分132和转子空腔120在与孔入口部分132相遇的地方共享相同的平面。一方面，转子空腔120可连接在以轴向方向延伸于转子轴100中的中心冷却空气供给104上，从而将冷却空气供给转子空腔120，并供给多个冷却孔130。另一方面，空气可以不同的方式传送给空腔。来自多个冷却孔130的冷却空气在叶片和叶根103之间到达转子轴100的外部，用于对其进行冷却。
图3显示了根据图2的截面图III-III的本发明的最优选的实施例。本实施例在转子空腔120中的冷却孔130的入口位置引入了非对称的边缘圆角150。冷却空气通过不同位置的孔流入转子空腔中，并进入冷却空气孔中，冷却空气孔将冷却空气引向转子叶片(见图2)。
冷却空气的旋转速度只是在转子空腔中是非常小的。在从空腔至冷却孔的过渡处，冷却空气的旋转速度显著增加，这在孔入口位置160处导致了压力损失和再循环区域。
非对称的边缘圆角150的引入容许转子空腔120至冷却孔130的更平滑的过渡，并因而改善了孔入口位置的流动状况。
再循环区域被减少了，并因而增加了冷却孔入口位置160中的有效的流动横截面。这将马赫数限制于更小的值，并显著地减少了压力损失。
出于这个原因，可减少冷却孔径D(还参见图4)，同时冷却空气速度和压力损失保持相同或只轻微增加。
由于有大量的冷却孔130，相邻的孔之间的剩余壁厚L(还参见图4)只能是低的，这限制了这个位置的转子寿命。为了使最小壁厚保持尽可能地大，边缘圆角150只应用于孔的一个侧面，并因而是非对称的，而另一侧面保持基本没有圆角，从而使最小壁厚保持尽可能地大，即冷却孔入口160的圆周区域的至少一个侧面或部分侧面设有非对称的边缘圆角150，从而使两个相邻的冷却孔之间的边缘圆角下游壁厚最大化。
关于这种不对称，包括边缘圆角150的侧面在转子的旋转方向上应用于冷却孔130的前部处。
相对于非对称的孔130的侧面，边缘圆角150理想地铣削成圆形的圆角，其中其它制造方法也是可行的，圆角具有在冷却孔径D的0.3至0.7倍之间的半径R(项目170)。在所述孔入口位置160的定位在通向孔出口部分134的方向上的第一端和所述孔出口部分134之间的区域中，冷却孔130包括恒定的冷却孔径D。如上所述，孔入口位置160的相反的第二端邻接转子空腔120。
由于制造限制，圆形圆角可由之间具有均匀的角度阶梯的3个或多个铣削的斜面近似。如果圆角是由斜面近似的，那么边缘圆角的整体宽度w(见图4)和整体高度d也在冷却孔径D的0.3至0.7倍之间。
因此，本发明的最终目的在于，在旋转的转子盘的冷却孔的入口处引入非对称的边缘圆角，从而改善入口处的流动状况，并因而减少入口压力损失，从而对于给定的质量流量容许有更小的孔径。因此，改善了相邻的孔之间的剩余壁厚，这对于转子寿命是有利的。
图4显示了根据图2的截面图IV-IV的本发明的实施例，从而使最小壁厚相对于大量的冷却孔130保持尽可能得大，边缘圆角150只应用于孔的一个侧面或部分侧面，并因而是非对称的，而另一侧面保持基本没有边缘圆角，从而使最小壁厚保持尽可能得大。
相对于孔130的非对称的侧面，边缘圆角(还参见图3下面的描述)理想地被铣削成圆形的圆角，其具有在冷却孔径D的0.3至0.7倍之间的半径。由于制造限制，圆形圆角可由之间具有相同的角度阶梯的3个或多个铣削的斜面近似。如果圆角是由斜面近似的，那么边缘圆角的整体宽度w和整体高度d(见图4)也在冷却孔径D的0.3至0.7倍之间。
尤其相对于这两个所述实施例而言，本发明的改进的转子轴在各方面都是有利的。转子轴可适用于减少在与其相关的机械或涡轮的运行状况下出现在其上的热应力和机械应力的影响。此外，不管本公开的转子轴是否由单个器件或多个器件制成，本公开的转子轴都有利于承受或减少温度和离心力或轴向力的影响。具有这种横截面轮廓的改进的转子轴能够在所论述的位置呈现比传统转子增加2至5倍的总的寿命循环。本公开的转子轴还有利于将孔入口区域中的作用应力减少10%至40%。作用应力是机械应力和热应力的混合应力。此外，转子轴便于以有效且经济的方式来使用。从上面的详细说明和附属权利要求中将明晰本公开的各种其它优点和特征。
虽然已经结合目前被认为是最恰实际且最优选的实施例而描述了本发明，但是应该懂得本发明并不局限于所公开的实施例，相反，其意图覆盖包含在附属权利要求的精神和范围内的各种变体和等效装置。该范围应与最广泛的理解相一致，从而包含法律下所允许的所有这种修改和等效结构。而且应该懂得，虽然上面描述中所使用的例如“优选”、“优选地”、“优选的”或“有利地”等词语指示所述的特征可能是更适宜的，但它可能不是必须的，并且任何缺乏这些特征的实施例可被认为落在本发明的范围内，该范围由附属权利要求来限定。在阅读权利要求时，当使用例如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”等词语时，并不意图将权利要求仅限于一个事物，除非在权利要求中做了特别相反的陈述。此外，当使用语句“至少一部分”和/或“一部分”时，事物可包括一部分和/或整个事物，除非特别相反的陈述。

Claims (7)

1. 一种适合于围绕其转子轴线(110)而旋转的转子轴(100)，其特征在于，所述转子轴(100)包括：
在所述转子轴(100)内部的转子空腔(120)，其配置成相对于所述转子轴线(110)是同心或类似同心的，
多个冷却孔(130)，其径向地或类似径向地从所述转子轴(100)的内部向外延伸至外部，
各个冷却孔(130)具有孔入口位置(160)和远端孔出口部分(134)，其中在所述孔入口位置(160)的定位在通向所述孔出口部分(134)的方向上的第一端和所述孔出口部分(134)之间的区域中，所述冷却孔(130)包括恒定的冷却孔径(D)，
相应的孔入口位置(160)适合于在其第二端邻接所述转子空腔(120)，
其中所述冷却孔入口(160)的圆周区域的至少一个侧面或部分侧面设有非对称的边缘圆角(150)，从而使两个相邻的冷却孔(130)之间的边缘圆角下游的壁厚最大化。
2. 根据权利要求1所述的转子轴，其特征在于，所述冷却孔入口(160)设有非对称的边缘圆角(150)，从而改善了所述冷却孔(130)的流量。
3. 根据权利要求1所述的转子轴，其特征在于，所述冷却孔(130)的非对称的边缘圆角(150)被制造为圆形圆角，其具有在所述冷却孔径(D)的0.3至0.7倍之间的半径。
4. 根据权利要求3所述的转子轴，其特征在于，所述冷却孔(130)的非对称的圆角(150)是铣削而成的。
5. 根据权利要求1所述的转子轴，其特征在于，所述非对称的边缘圆角(150)的斜面具有在所述冷却孔径(D)的0.3至0.7倍之间的整体宽度(w)和整体高度(d)。
6. 根据权利要求1所述的转子轴，其特征在于，所述非对称的边缘圆角(150)的斜面包括均匀的或渐进的角度阶梯。
7. 根据权利要求1至6中的任一权项所述的转子轴，其特征在于，所述转子轴(100)是燃气涡轮或蒸汽涡轮或涡轮机的部件。
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